プロセスとは?

実行中のプログラムのことをプロセスと呼びます。

Linuxでは ps コマンド(ps=process status)からプロセス情報を確認できます。

現在ログインしているシェル(=実行中のプログラム)とそのプロセスID(PID)を変数 $$ から取得できます

$ echo $SHELL
/bin/bash
$ echo $$
1483

シェルとして Bash がプロセスID 1483 で動いていることがわかります。

ログインユーザー(ubuntu)権限で実行されているプロセス一覧を確認します。

 $ ps ux
USER         PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
ubuntu      1025  0.0  0.4  17052  9600 ?        Ss   06:22   0:00 /lib/systemd/systemd --user
...
ubuntu      1483  0.0  0.5  14960 10880 pts/1    Ss   06:22   0:00 bash -l
...
ubuntu      3283  0.0  0.1  10464  3200 pts/1    R+   06:40   0:00 ps ux

プロセスIDが1483の bash を確認できます。

Apacheのプロセスを確認

pstree コマンドから、プロセスの木構造(pstree = ps + tree)をプロセスID(-pオプション)とともに確認します。

$ pstree -p
systemd(1)─┬─acpid(367)
...
           ├─apache2(492)─┬─apache2(566)
           │              ├─apache2(568)
           │              ├─apache2(569)
           │              ├─apache2(578)
           │              └─apache2(580)...

プロセス名に続くカッコの数字はプロセスID(PID)です。

ブートローダーがLinuxカーネルを起動すると、Linuxカーネルはプロセスを管理する init をPID=1で起動し、このシステムを起点に、様々なプログラムが起動されます。 Ubuntu 22.04 では、このinitシステムに systemd が採用されています。

systemd の概要を公式ページから引用します。

systemd is a suite of basic building blocks for a Linux system. It provides a system and service manager that runs as PID 1 and starts the rest of the system.

https://systemd.io/

プロセスは、プロセスを管理する側と管理される側が存在します。

pstree の出力では、左側が管理する側、右側が管理される側です。

systemd(1) と apache2(492) の場合、systemdが管理する側、apache2(492)が管理される側です。

systemctl でプロセスのステータスを確認

$ systemctl status apache2
● apache2.service - The Apache HTTP Server
     Loaded: loaded (/lib/systemd/system/apache2.service; enabled; vendor preset: enabled)
     Active: active (running) since Wed 2024-07-10 06:22:22 UTC; 21min ago
       Docs: https://httpd.apache.org/docs/2.4/
    Process: 368 ExecStart=/usr/sbin/apachectl start (code=exited, status=0/SUCCESS)
   Main PID: 492 (apache2)
      Tasks: 6 (limit: 2262)
     Memory: 25.9M
        CPU: 199ms
     CGroup: /system.slice/apache2.service
             ├─492 /usr/sbin/apache2 -k start
             ├─566 /usr/sbin/apache2 -k start
             ├─568 /usr/sbin/apache2 -k start
             ├─569 /usr/sbin/apache2 -k start
             ├─578 /usr/sbin/apache2 -k start
             └─580 /usr/sbin/apache2 -k start

Jul 10 06:22:22 ip-172-31-34-13 systemd[1]: Starting The Apache HTTP Server...
Jul 10 06:22:22 ip-172-31-34-13 systemd[1]: Started The Apache HTTP Server.

中央に Main PID: 492 (apache2) とあります。

プロセスIDの 492, 566, 568, …, 580 はフラットではなく、492は特別な管理する側であり、566から580が管理される側です。

pstree のツリー表示と一致します。

発展:デーモンプログラム

sshd の最後の d は daemon(デーモン) を表します($ man sshd によると “sshd (OpenSSH Daemon) is the daemon program for ssh(1). “)。

バックグラウンドで起動されるプログラムをデーモンと呼び、Windowsのサービスのようなものです。

systemd が管理するデーモン一覧は次のコマンドで確認できます。

$ systemctl list-units --type=service --state=running

発展:コンテナでのプロセスの考え方

1コンテナ1アプリ

アプリケーションをコンテナ化する上で、アプリケーションコンテナとシステムコンテナという2つの考え方があります。

※ LXD vs Docker | Ubuntu から

現在主流のアプリケーションコンテナは、APIサーバーなどアプリケーション単位でコンテナ化します。コンテナ内で、プロセス管理サービスを起動し、複数プロセスを管理するのはアンチパターンとされています。

コンテナ内で単一のアプリケーションプロセスを実行します。

コンテナの有効期間は、アプリケーションプロセスが実行されている期間です。Amazon ECS は、クラッシュしたプロセスを置き換えると共に、置き換え後のプロセスをどこで起動するかを決定します。適切に完成されたイメージは、デプロイ全体の耐障害性を高めます。 Best practices for Amazon ECS container images - Amazon Elastic Container Service

Twelve-Factor App の VI. プロセスでも “アプリケーションを1つもしくは複数のステートレスなプロセスとして実行する” とあります。

The Twelve-Factor App （日本語訳）

システムコンテナはLXDなどで採用され、名前の通り、複数のアプリケーションからなるシステム全体を一つのコンテナに閉じ込めます。

以降では、「コンテナ」は「アプリケーションコンテナ」を指します。

PID Namespaceによる独立したプロセス空間

OSの上でOSを動かす仮想技術とことなり、コンテナはOSの上で1アプリケーションとして動かします。

※ 引用元 https://www.redhat.com/en/topics/containers/containers-vs-vms

コンテナを起動するホストからは、コンテナは1プロセスとして見えていますが、コンテナの内では独立したプロセス空間を持ち、アプリケーションはPID=1で実行されます。

Linuxカーネルの Namespaces という機能が利用されており(PID namespace)、コンテナを支える非常に重要な機能の一つです。

発展:PID Namespaceの実験例

1000秒間sleep(sleep 1000)するコンテナを test-sleep という名前で起動します

$ docker run -d --name test-sleep ubuntu sleep 1000
40c31a5befe1ed6d75b990713aaed63d9fd429a450d691f6dce44c3d89ba5429

コンテナ内からプロセス(sleep 1000)を確認すると、PID = 1 で動作している

$ docker exec -it test-sleep ps -ef
UID          PID    PPID  C STIME TTY          TIME CMD
root           1       0  0 14:24 ?        00:00:00 sleep 1000
root          38       0 40 14:27 pts/0    00:00:00 ps -ef

ホストからコンテナのプロセス(sleep 1000) を確認すると、PID = 2194 で動作している

$ docker top test-sleep
UID                 PID                 PPID                C                   STIME               TTY                 TIME                CMD
root                2216                2194                0                   14:24               ?                   00:00:00            sleep 1000


$ pstree -p
systemd(1)─┬─acpid(365)
           ...
           ├─containerd-shim(2194)─┬─sleep(2216)
           │                       ├─{containerd-shim}(2195)
           ...

※ 補足 : コンテナランタイム(containerd) 上では、一般的なコンテナや WASM 等多様なコンテナを実行できます。その抽象化を担うのが shim です。(参考)

ついでに、コンテナではホストとゲストのLinuxカーネルが同じことも確認します

$ uname -a
Linux ip-172-31-34-13 6.5.0-1022-aws #22~22.04.1-Ubuntu SMP Fri Jun 14 16:31:00 UTC 2024 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

$ docker exec -it test-sleep uname -a
Linux 40c31a5befe1 6.5.0-1022-aws #22~22.04.1-Ubuntu SMP Fri Jun 14 16:31:00 UTC 2024 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

仮想技術と異なり、コンテナ技術はホストのカーネルの上でネームスペースが隔離されたプロセスを起動しているだけです。

発展:プロセスの作り方

Apacheサーバーを起動というように、新規にプロセスを作成するとき、fork & exec という仕組みが使われます。

プロセスを2つに分裂させ(fork())、片方の中身を起動したいプログラムで書き換えます(exec())。この一連のよくある処理を限定的に実装したのが posix_spawn() です。

詳細は『ふつうのLinuxプログラミング第2版』の 12章「プロセスにかかわるAPI」を参照してください。

実装例

Pythonで子プロセスを作成する subprocess ライブラリをLinuxで実行すると、内部的には fork()/vfork()/posix_spawn() が呼ばれています。

参考 : https://docs.python.org/3/library/subprocess.html