从系统的角度分析影响程序执行性能的因素
从系统的角度分析影响程序执行性能的因素
一、Linux概念模型
Linux体系结构可以分为两块：a.用户空间：用户空间中包含了，用户的应用程序，C库 b.内核空间：内核空间包括系统调用，内核，以及与平台架构相关的代码Linux系统的核心是内核。内核控制着计算机系统上的所有硬件和软件，在必要时分配硬件，并根据需要执行软件。
内核是操作系统的核心，具有很多最基本功能，它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。
Linux概念模型如图：
Linux概念模型
Linux操作系统最核心的内容即是“进程管理”功能。为了实现这一核心功能，这就引入了“三大法宝”和“两把宝剑”。三大法宝：存储程序计算器、中断、函数调用栈；两把宝剑：中断上下文和进程中断上下文。
Linux 内核由如下几部分组成：进程管理、内存管理、设备驱动程序、文件系统和网络管理等。
1.1 进程管理
进程管理用来负责控制进程对 CPU 资源的使用。所采取的调度策略是各进程能够公平合理地访问 CPU,同时保证内核能及时地执行硬件操作。数据结构struct task_struct是描述进程的，保存了程序执行过程中的一些必要信息，如进程的id，进程的状态，堆栈等。进程主要分为进程的创建、进程的切换、进程的调度算法和进程的状态。
（1）进程描述和创建：
进程结构体struct task_struct如图：
创建一个进程是复制当前进程的信息，就是通过fork系统调用_do_fork函数来创建了一个新进程。因为父进程和子进程的绝大部分信息是完全一样的，但是有些信息是不能一样的，比如 pid 的值和内核堆栈。还有将新进程链接到各种链表中，要保存进程执行到哪个位置，有一个thread数据结构记录进程执行上下文的关键信息。
（2）进程切换
（3）进程调度的策略
Linux系统中常用的几种调度策略为SCHED_NORMAL、SCHED_FIFO、SCHED_RR、SCHED_BATCH。
（4）进程调度的时机
进程调度时机就是内核调用schedule函数的时机，有如下三种情况：
1.2 内存管理
Linux系统采用虚拟内存管理技术，使得每个进程都有各自互不干涉的进程地址空间。该空间是块大小为4G的线性虚拟空间，用户所看到和接触到的都是该虚拟地址，无法看到实际的物理内存地址。利用这种虚拟地址不但能起到保护操作系统的效果（用户不能直接访问物理内存），而且更重要的是，用户程序可使用比实际物理内存更大的地址空间。
内存管理主要有分为如下几个功能：地址映射、虚拟地址管理、物理内存管理、内核空间管理、页面换入换出策略和用户空间内存管理
1.3 文件系统
可以说整个Linux系统都是构建在文件系统之上的，Linux支持多种文件系统，包括ext2、ext3、vfat等。Linux采用虚拟虚拟文件系统VFS来达到支持多种文件系统格式的目标。VFS为各类文件系统提供了一个统一的操作界面和编程接口。向上提供了统一的编程接口，向下对各种文件系统进行兼容。
1.4 时钟管理
时钟一般分为两个部分：实时时钟和计时器/定时器。
实时时钟： 一般靠电池供电，即使系统断电，也可以维持日期和时间。 实时时钟独立于操作系统，所以也被称为硬件时钟，为整个系统提供一个计时标准。
定时器/计数器： 实时内核需要一个定时器作为系统时钟（或称
OS 时钟），并由实时内核控制系统时钟工作。 一 般情况下，系统时钟的最小粒度是由应用和操作系统的特点决定的。
实时时钟是系统时钟的时间基准，实时内核通过读取实时时钟来初始化系统时钟，此后二者保持同步运行，共同维系系统时间。
当时钟初始化（即tick_init、Time_init)后，系统就会周期性的调用tick_periodic这个函数，该函数的功能为：
更新自系统启动以来所经过的时间（Jiffies）
更新时间和日期（RTC）
确定当前进程的执行时间，考虑是否要抢占
更新资源使用统计计数
检查到期的软定时器
例子：文件打开关闭过程
文件打开流程：
1、打开文件即使用 open 函数，它首先通过按名查找，看在高速缓存中有没有查找的 inode，如果有那么对其进行引用并加 1。如果没有将创建新的 vfs的 inode 对象和目录项对象等。 Open 函数调用的系统服务例程是 sys_open 函数，其接受的参数为文件目录和访问的模式。如果文件存在则返回一个文件描述符fd，如果不存在则返回-1.
文件关闭流程：
1、用户程序通过close ( )系统调用关闭打开的文件，该函数接收的参数为要关闭文件的文件描述符。
2、内核调用sys_close ( )函数。
可以看到，在以文件打开关闭过程的例子中，整体的操作过程，基本与上述的Linux系统概念原型一致，从而验证了我们的系统概念原型的正确性，逻辑自洽性。
二．应用程序在Linux上的性能分析
2.1 评价应用程序性能的指标
我们可以用以下几个指标来对程序的性能进行评价
（1）响应时间。响应时间是指系统对请求做出响应的时间
（2）吞吐量 是指单位时间内处理请求的数量
（3）CPU利用率
然后来分析一下可能会对这些指标造成影响的因素
硬件级别：
1、 CPU CPU的频率决定了处理速度，利用率可以表现程序的多数时间是花费在CPU上还是IO上，和CPU密切相关的另一个影响性能的因素就是指令集。如RISC指令集和CISC指令集，他们的运用场景不同，在特定情景的性能下的表现自然也不尽相同。
2、 内存 内存使用率过高会使得CPU负担过大，过低则说明内存资源并没有被很好的利用起来。
3、缓冲 缓冲作为一种解决速度不匹配的方式 如果利用起来可以得到很客观的速度提升效果
6、磁盘读取速度。该项决定了系统读盘的速度。
软件级别：
1、进程调度算法：
2、程序的代码级别优化。
3、I/O方式
常见的I/O方式有以下几种：直接程序控制方式，中断驱动控制方式、DMA方式等。
直接程序控制方式虽然非常简单，不需要太多的硬件支持，但是由于在这种工作模式下，CPU需要一直等待进行轮询，造成CPU利用率不高的问题。而当我们采用了中断控制方式的时候，当且仅当输入或者输出完成一个数据后，才需要CPU花费时间进行中断处理，这又一次应证了中断是Linux操作系统的“三大法宝”之一。
举例：
1、延时函数，通常使用的延时函数均采用自加的形式：
void delay (void)
{
unsigned int i;
for (i=0;i<1000;i++)
;
}
将其改为自减延时函数：
void delay (void)
{
unsigned int i;
for (i=1000;i>0;i--)
;
}
两个函数的延时效果相似，但几乎所有的C编译对后一种函数生成的代码均比前一种代码少1~3个字节，因为几乎所有的MCU均有为0转移的指令，采用后一种方式能够生成这类指令。
2、二维数组的操作
for (i = 0; i < 9999; i++)
{
for (j = 0; j < 9999;j++)
{
printf("%d ", a[i][j]);
}
printf("\n");
}
//将其改为先循环j后循环i
for (j = 0; j < 9999; j++)
{
for (i = 0; i < 9999;i++)
{
printf("%d ", a[i][j]);
}
printf("\n");
}
分析：两段代码实现的功能一样，但一般情况下第一段代码的速度会高于第二段，因为在c语言中数组是连续存储的，程序二就可能要频繁地发生缺页中断，导致频繁的IO操作和页面的换入换出，IO的速度一般是程序运行速度的瓶颈，因为IO的速度远小于CPU的处理速度，同时缓存命中率也大大降低，故第一段代码的速度更快一些
三、课程总结
非常感谢孟老师和李老师的认真授课，让我从只会linux的一些基本操作到理解了linux基本内核架构思想，让我对Linux操作系统有了更深的了解，较之前仅会几个Linux命令有了非常大的提高。
浙公网安备 33010602011771号