プロセス管理
Linuxのプロセス、シグナル、デーモンの基礎を学びます。
目次
プロセスとは
プロセスの概念
プロセスとは、実行中のプログラムのインスタンスです。
プログラム（実行ファイル）がディスクに保存された静的なコードであるのに対し、プロセスはそれがメモリに読み込まれ、CPUによって実行されている動的な状態を指します。
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ プログラムとプロセスの違い │
├── ───────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 【プログラム】 【プロセス】 │
│ ディスク上のファイル → メモリ上の実行状態 │
│ /usr/bin/nginx → nginx (PID 1234) │
│ │
│ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ │
│ │ nginx │ 実行 │ プロセス │ │
│ │ (バイナリ) │ ─────► │ PID: 1234 │ │
│ │ │ │ メモリ使用中 │ │
│ │ 静的 │ │ CPU使用中 │ │
│ └──────────────┘ └──────────────┘ │
│ │
│ 同じプログラムから複数のプロセスを起動できる: │
│ /usr/bin/bash → bash (PID 100) │
│ → bash (PID 200) │
│ → bash (PID 300) │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
なぜプロセスが必要か
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ プロセスが提供するもの │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 1. 分離（Isolation） │
│ - 各プロセスは独自のメモリ空間を持つ │
│ - あるプロセスの問題が他に影響しにくい │
│ - セキュリティの基盤 │
│ │
│ 2. 並行実行（Concurrency） │
│ - 複数のプログラムを同時に実行可能 │
│ - OSがCPU時間を公平に配分 │
│ │
│ 3. リソース管理 │
│ - メモリ、CPU、ファイルなどの使用を追跡 │
│ - 終了時にリソースを自動的に解放 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
プロセスの構成要素
各プロセスは以下の情報を持っています：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ プロセスの構成要素 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ プロセス │ │
│ │ ├── PID (プロセスID) │ │
│ │ ├── PPID (親プロセスID) │ │
│ │ ├── UID/GID (所有者) │ │
│ │ ├── 仮想メモリ空間 │ │
│ │ │ ├── テキスト (コード) │ │
│ │ │ ├── データ (変数) │ │
│ │ │ ├── ヒープ (動的割り当て) │ │
│ │ │ └── スタック (関数呼び出し) │ │
│ │ ├── ファイルディスクリプタ │ │
│ │ ├── 環境変数 │ │
│ │ └── シグナルハンドラ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
| 構成要素 | 説明 |
|---|---|
| PID | プロセスを一意に識別する番号（1以上の整数） |
| PPID | このプロセスを生成した親プロセスのPID |
| UID/GID | プロセスの所有者（実行したユーザー） |
| 仮想メモリ空間 | プロセス専用のメモリ領域 |
| ファイルディスクリプタ | 開いているファイルへの参照 |
| 環境変数 | PATH, HOME などの設定値 |
| シグナルハンドラ | シグナルを受けた時の処理方法 |
プロセスの生成（fork と exec）
Linuxでは、新しいプロセスは既存のプロセスからforkシステムコールで生成されます：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ fork と exec の仕組み │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 【fork】親プロセスのコピーを作成 │
│ │
│ 親プロセス (PID 100) │
│ │ │
│ │ fork() │
│ │ │
│ ├──────────────────┐ │
│ │ │ │
│ ▼ ▼ │
│ 親 (PID 100) 子 (PID 101) │
│ (継続実行) (親のコピー) │
│ │
│ │
│ 【exec】プロセスの中身を別のプログラムに置き換え │
│ │
│ 子プロセス (PID 101) │
│ │ │
│ │ exec("/bin/ls") │
│ │ │
│ ▼ │
│ 子プロセス (PID 101) ← 中身がlsに変わった │
│ │
│ │
│ 【実例：シェルからコマンドを実行する場合】 │
│ │
│ bash (PID 100) │
│ │ │
│ │ ユーザーが "ls" と入力 │
│ │ │
│ │ fork() │
│ │ │
│ ├──────────────────┐ │
│ │ │ │
│ ▼ ▼ │
│ bash (PID 100) bash コピー (PID 101) │
│ (子の終了を待つ) │ │
│ │ exec("/bin/ls") │
│ ▼ │
│ ls (PID 101) │
│ │ │
│ │ 実行完了、終了 │
│ ▼ │
│ bash (PID 100) ◄── 子が終了したので再開 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
プロセスの親子関係
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ プロセスツリー │
│ │
│ init/systemd (PID 1) │
│ ├── sshd │
│ │ └── sshd (session) │
│ │ └── bash │
│ │ └── vim │
│ ├── nginx (master) │
│ │ ├── nginx (worker) │
│ │ └── nginx (worker) │
│ ├── postgres │
│ │ ├── postgres (writer) │
│ │ └── postgres (background worker) │
│ └── containerd │
│ └── containerd-shim │
│ └── java (コンテナ内) │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
プロセスの確認
ps コマンド
# 基本
ps # 現在のセッションのプロセス
ps aux # 全プロセス（BSD形式）
ps -ef # 全プロセス（System V形式）
# よく使うオプション
ps aux | grep nginx # 特定プロセスを検索
ps aux --sort=-%mem # メモリ使用量順
ps aux --sort=-%cpu # CPU使用量順
ps -ef --forest # ツリー表示
# 特定の情報を表示
ps -eo pid,ppid,user,%cpu,%mem,command
ps -p 1234 -o pid,ppid,stat,command
# 出力例
# USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND
# root 1 0.0 0.1 169936 13376 ? Ss Dec21 0:05 /sbin/init
top / htop
# top - リアルタイム監視
top
top -p 1234 # 特定PIDのみ
top -u username # 特定ユーザーのみ
# top の操作キー
# P: CPU順ソート
# M: メモリ順ソート
# k: プロセスをkill
# q: 終了
# 1: CPUコアごとの表示
# htop - より見やすいtop
htop
# F5: ツリー表示
# F6: ソート
# F9: シグナル送信
pstree
# プロセスツリー表示
pstree
pstree -p # PID付き
pstree -u # ユーザー名付き
pstree 1234 # 特定PIDのサブツリー
/proc ファイルシステム
# プロセス情報
ls /proc/1234/
cat /proc/1234/status # ステータス
cat /proc/1234/cmdline # コマンドライン
cat /proc/1234/environ # 環境変数
ls -l /proc/1234/fd/ # ファイルディスクリプタ
cat /proc/1234/limits # リソース制限
# システム全体
cat /proc/loadavg # 負荷平均
cat /proc/uptime # 稼働時間
プロセスの状態
プロ セス状態
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ プロセス状態遷移 │
│ │
│ fork() │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌─────────────┐ │
│ │ Created │ │
│ └──────┬── ────┘ │
│ │ スケジュール │
│ ▼ │
│ ┌─────────────┐ I/O待ち ┌─────────────┐ │
│ │ Running │ ───────────────► │ Sleeping │ │
│ │ (R) │ ◄─────────────── │ (S/D) │ │
│ └──────┬──────┘ 完了 └─────────────┘ │
│ │ │
│ │ 停止シグナル │
│ ▼ │
│ ┌─────────────┐ │
│ │ Stopped │ │
│ │ (T) │ │
│ └──────┬──────┘ │
│ │ 終了 │
│ ▼ │
│ ┌─────────────┐ wait() ┌─────────────┐ │
│ │ Zombie │ ───────────────► │ Terminated │ │
│ │ (Z) │ └─────────────┘ │
│ └─────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
状態コード（STAT）
| コード | 状態 | 説明 |
|---|---|---|
| R | Running | 実行中または実行待ち |
| S | Sleeping | 割り込み可能なスリープ |
| D | Disk sleep | 割り込み不可のスリープ（I/O待ち） |
| T | Stopped | シグナルで停止 |
| Z | Zombie | 終了したが親が回収していない |
| 追加フラグ | 説明 |
|---|---|
< | 高優先度 |
| N | 低優先度 |
| s | セッションリーダー |
| l | マルチスレッド |
+ | フォアグラウンドプロセスグループ |
シグナル
シグナルとは
シグナルとは、プロセス間で送受信される通知メッセージです。
OSやユーザーがプロセスに対して「何かをしてほしい」と伝えるための仕組みです。電話の着信やドアベルのようなもので、プロセスはシグナルを受け取ると、それに応じた処理を行います。
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ シグナルの仕組み │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 【送信側】 【受信側】 │
│ │
│ ユーザー ──┐ │
│ (Ctrl+C) │ │
│ │ │
│ OS ────────┼──── シグナル ────► プロセス ──► 処理 │
│ (エラー) │ (番号) │
│ │ │
│ 他プロセス ─┘ │
│ (kill) │
│ │
│ │
│ 【例：Ctrl+C を押した時】 │
│ │
│ ターミナル プロセス │
│ ┌────────┐ ┌────────┐ │
│ │ Ctrl+C │ ─── SIGINT ───►│ nginx │ → 終了 │
│ │ を押す │ (番号2) │ │ │
│ └────────┘ └────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
なぜシグナルが必 要か
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ シグナルの用途 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 1. プロセスの終了 │
│ - ユーザーが実行中のプログラムを止めたい時 │
│ - システムがプロセスを停止させたい時 │
│ │
│ 2. 設定の再読み込み │
│ - サーバーを再起動せずに設定を反映 │
│ - nginx や Apache でよく使われる │
│ │
│ 3. エラー通知 │
│ - 不正なメモリアクセス（SIGSEGV） │
│ - 0での除算（SIGFPE） │
│ │
│ 4. プロセス間通信 │
│ - 親プロセスが子プロセスに指示を送る │
│ - アプリケーション固有の通知 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
シグナルの種類
シグナルは番号で識別されます。よく使うものを覚えておきましょう：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 重要なシグナル │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 【プロセス終了系】 │
│ ┌────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ SIGTERM (15) : 「終了してください」 │ │
│ │ プロセスに丁寧にお願いする │ │
│ │ プロセスは後処理ができる │ │
│ │ │ │
│ │ SIGKILL (9) : 「今すぐ終了しろ」 │ │
│ │ プロセスは拒否できない │ │
│ │ 後処理なしで即座に終了 │ │
│ │ 最後の手段として使う │ │
│ └────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 【ユーザー操作系】 │
│ ┌────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ SIGINT (2) : Ctrl+C で送信される │ │
│ │ 「割り込み」= 中断してほしい │ │
│ │ │ │
│ │ SIGTSTP (20) : Ctrl+Z で送信される │ │
│ │ プロセスを一時停止 │ │
│ └────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 【設定再読み込み】 │
│ ┌────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ SIGHUP (1) : 「設定を再読み込みして」 │ │
│ │ 多くのサーバーがこれを使う │ │
│ │ kill -HUP nginx │ │
│ └────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
主なシグナル一覧
| シグナル | 番号 | 説明 | デフォルト動作 |
|---|---|---|---|
| SIGHUP | 1 | ハングアップ（設定再読み込みにも使用） | 終了 |
| SIGINT | 2 | 割り込み（Ctrl+C） | 終了 |
| SIGQUIT | 3 | 終了（Ctrl+\） | コアダンプ |
| SIGKILL | 9 | 強制終了 | 終了（捕捉不可） |
| SIGTERM | 15 | 終了要求 | 終了 |
| SIGSTOP | 19 | 停止 | 停止（捕捉不可） |
| SIGCONT | 18 | 再開 | 再開 |
| SIGUSR1 | 10 | ユーザー定義1 | 終了 |
| SIGUSR2 | 12 | ユーザー定義2 | 終了 |
シグナルの処理方法
プロセスはシグナルを受け取った時 、3つの方法で対応できます：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ シグナルの処理オプション │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 1. デフォルト動作 │
│ - シグナルごとに決まっている動作を実行 │
│ - 多くのシグナルはプロセスを終了させる │
│ │
│ 2. カスタムハンドラ │
│ - プログラムが独自の処理を定義 │
│ - 例：SIGTERMを受けたら接続を閉じてから終了 │
│ │
│ 3. 無視 │
│ - シグナルを受けても何もしない │
│ - 注意：SIGKILL と SIGSTOP は無視できない │
│ │
│ │
│ 【捕捉不可のシグナル】 │
│ ┌────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ SIGKILL (9) : 絶対に終了させる │ │
│ │ SIGSTOP (19) : 絶対に停止させる │ │
│ │ │ │
│ │ → プロセスがハングした時の最終手段 │ │
│ │ → これらは無視もハンドラも設定不可 │ │
│ └────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
シグナルの送信
# kill コマンド
kill 1234 # SIGTERM (デフォルト)
kill -15 1234 # SIGTERM
kill -TERM 1234 # SIGTERM
kill -9 1234 # SIGKILL (強制終了)
kill -KILL 1234 # SIGKILL
# killall (名前で)
killall nginx
killall -9 nginx
# pkill (パターンマッチ)
pkill nginx
pkill -u username # ユーザーの全プロセス
pkill -f "java.*myapp" # フルコマンドラインでマッチ
# シグナル一覧
kill -l
優雅な終了（Graceful Shutdown）
# 推奨される終了手順
# 1. まず SIGTERM を送信
kill -TERM 1234
# 2. プロセスが終了しない場合、待機
sleep 10
# 3. それでも終了しない場合 SIGKILL
kill -KILL 1234
フォアグラウンドとバックグラウンド
実行制御
# フォアグラウンドで実行
./long-running-script.sh
# バックグラウンドで実行
./long-running-script.sh &
# フォアグラウンドからバックグラウンドへ
# 1. Ctrl+Z で停止
# 2. bg で再開
Ctrl+Z
bg
# バックグラウンドからフォアグラウンドへ
fg
# ジョブ一覧
jobs
jobs -l # PID付き
nohup
# ログアウト後も実行継続
nohup ./script.sh &
nohup ./script.sh > output.log 2>&1 &
# disown でジョブを切り離し
./script.sh &
disown %1
デーモン
デーモンとは
デーモン（daemon）とは、バックグラウンドで動作し続けるプロセスです。
ユーザーの操作とは独立して、常にシステム上で待機し、特定のサービスを提供します。名前は「守護神」を意味するギリシャ語に由来しています。
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 通常のプロセスとデーモンの違い │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 【通常のプロセス】 │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ - ユーザーがコマンドを実行して起動 │ │
│ │ - ターミナルに接続している │ │
│ │ - ターミナルを閉じると終了する │ │
│ │ - 処理が終わると自動的に終了 │ │
│ │ │ │
│ │ 例：ls, grep, vim など │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 【デーモン】 │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ - システム起動時に自動で起動 │ │
│ │ - ターミナルに接続していない │ │
│ │ - 明示的に停止するまで動き続ける │ │
│ │ - リクエストを待ち受けて応答 │ │
│ │ │ │
│ │ 例：sshd, nginx, postgres など │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
なぜデーモンが必要か
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ デーモンの役割 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 1. 常時稼働サービス │
│ - Webサーバー：常にHTTPリクエストを待ち受け │
│ - SSHサーバー：いつでもリモートログインを受け付け │
│ - データベース：常にクエリを処理 │
│ │
│ 2. 定期実行タスク │
│ - cron：スケジュールされたジョブを実行 │
│ - ログローテーション：ログファイルの管理 │
│ │
│ 3. システム管理 │
│ - systemd：他のサービスの管理 │
│ - syslogd：システムログの収集 │
│ - networkd：ネットワーク設定の管理 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
デーモンの特徴
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ デーモンの特徴 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 技術的な特徴： │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 1. 制御端末を持たない │ │
│ │ - ターミナルからの入力を受け付けない │ │
│ │ - ps の TTY が「?」になる │ │
│ │ │ │
│ │ 2. バックグラウンドで動作 │ │
│ │ - フォアグラウンドを占有しない │ │
│ │ - 他の作業を妨げない │ │
│ │ │ │
│ │ 3. 親プロセスは init (PID 1) │ │
│ │ - 起動後、親から切り離される │ │
│ │ - systemd や init が管理 │ │
│ │ │ │
│ │ 4. 設定ファイルで動作を制御 │ │
│ │ - /etc/ 以下に設定ファイル │ │
│ │ - SIGHUP で再読み込み │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 命名規則： │
│ - 名前は通常 "d" で終わる │
│ - sshd (SSH daemon) │
│ - httpd (HTTP daemon) │
│ - crond (cron daemon) │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
デーモンの動作イメージ
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Webサーバー(nginx)の例 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ システム起動 │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ nginx (デーモン) │ │
│ │ - ポート80/443で待機 │ │
│ │ - 設定ファイル: /etc/nginx/nginx.conf │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │ │
│ │ リクエストが来るまで待機... │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌─────────────────┐ │
│ │ クライアント │ │
│ │ からリクエスト │ ─────────────────────────────────────┤│
│ └─────────────────┘ ││
│ │ ││
│ ▼ ▼│
│ ┌─────────────────────────────────────────────── ──────┐ │
│ │ nginx: リクエスト処理 │ │
│ │ - HTMLファイルを返す │ │
│ │ - アプリケーションにプロキシ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │ │
│ │ 処理完了後、また待機状態に戻る │
│ │ │
│ ▼ │
│ [待機中...] ← 次のリクエストを待つ │
│ │
└───────────────────────────────────────────────── ────────────┘
主なデーモン
| デーモン | 説明 |
|---|---|
| sshd | SSHサーバー |
| nginx/httpd | Webサーバー |
| postgres | PostgreSQLデータベース |
| crond | 定期実行スケジューラ |
| rsyslogd | ログ収集 |
| dockerd | Dockerデーモン |
コンテナのプロセス
PID 1 の重要性
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ コンテナの PID 1 │
│ │
│ 通常のLinux: │
│ - PID 1 = init/systemd │
│ - 孤児プロセスの親になる │
│ - シグナルハンドリング │
│ │
│ コンテナ: │
│ - PID 1 = アプリケーション (通常) │
│ - シグナルが直接アプリ に届く │
│ - 孤児プロセスの処理が必要 │
│ │
│ 問題: │
│ - アプリがシグナルを適切に処理しないと終了できない │
│ - ゾンビプロセスが発生する可能性 │
│ │
│ 解決策: │
│ - tini, dumb-init などの軽量initを使用 │
│ - アプリケーションでシグナルハンドリングを実装 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
コンテナ内のプロセス確認
# コンテナのプロセス
docker top container-name
docker exec container-name ps aux
# ホストから見たコンテナのプロセス
docker inspect -f '{{.State.Pid}}' container-name
ps aux | grep <pid>
# 名前空間を考慮したプロセス確認
docker exec container-name cat /proc/1/status
tini / dumb-init
# tini を使用
FROM alpine
RUN apk add --no-cache tini
ENTRYPOINT ["/sbin/tini", "--"]
CMD ["./myapp"]
# dumb-init を使用
FROM alpine
RUN apk add --no-cache dumb-init
ENTRYPOINT ["/usr/bin/dumb-init", "--"]
CMD ["./myapp"]
# Docker の --init オプション
# docker run --init myimage
シグナルの伝播
# コンテナ停止時のシグナル
docker stop container-name # SIGTERM → 10秒後 SIGKILL
docker stop -t 30 container-name # タイムアウト30秒
docker kill container-name # SIGKILL
# 特定のシグナルを送信
docker kill --signal=SIGHUP container-name
docker kill --signal=SIGUSR1 container-name
まとめ
重要なコマンド
| コマンド | 説明 |
|---|---|
| ps aux | プロセス一覧 |
| top/htop | リアルタイム監視 |
| pstree | プロセスツリー |
| kill | シグナル送信 |
| jobs/fg/bg | ジョブ制御 |
ベストプラクティス
- SIGKILL (kill -9) は最後の手段
- まず SIGTERM で優雅な終了を試みる
- コンテナでは適切な init プロセスを使用
- ゾンビプロセスに注意
次のステップ
- ユーザーと権限 - パーミッション管理
- systemd - サービス管 理
- Namespaces - プロセスの分離