从系统的角度分析影响程序执行性能的因素

一、前言

第一次听说学linux内核还能学到人生道理，几番课听下来，倒真是有点意思~

在之前的内核学习过程中，虽然对于每个知识点，比如中断、系统调用、时钟等等，都没有疏忽掉，特别是在接触到linux内核源码的时候，感觉又增长了不少见识。不过，如果突然被要求说内核里有什么，一时半会还真说不出个所以然来。所以，印象深刻的就是老师上课说的：”比较高效的学习方法，就是先快速掌握计算机操作系统最本质、最核心的模型，再逐步发散“，有种醍醐灌顶的感觉。

二、Linux系统概念模型

2.1 计算机系统模型

从物理层面来讲，主要分为以下几个部分：

• CPU：发出命令，统摄全局，是整个系统的核心。
• 内存：是CPU和其他部件交互的桥梁，同时也负责存储处于可运行态任务的相关数据。
• 总线：作为整个系统的经脉，实现各组件之间的通信。
• 外设：系统的外围设备，是系统和外部世界交流的中介
• 硬盘：后备隐藏资源，用于存储当前不需要，未来可能用得上的各种数据。

2.2 Linux系统概念模型

将以上概念映射到Linux系统，可形成Linux系统概念模型如下：

说明：
1、在linux系统中，设备是以文件的形式存在的，使得设备与普通文件可以被统一管理；
2、系统调用本质上是借助软中断来实现用户态到内核态的切换，不过由于系统调用是作为用户程序和操作系统内核交互的接口，比较特殊且重要，所以就将其和软硬中断划分为同一个等级了。

2.3 举例验证

以读一个文件为例：

首先，read函数所在的程序属于当前进程，并处于运行态。当执行到read函数时，会发生系统调用，从用户态陷入到内核态，根据系统调用号，在系统调用表中找到与之对应的sys_read函数，开始执行。由于之前打开文件时已经创建并初始化好了file系统打开文件表，所以sys_read通过fd就直接得到了对应的file。以普通文件为例，会具体执行file结构中的file_operation结构体中的read（映射到一个实际的和磁盘交互的read函数），从而在磁盘中真正的读取到文件信息了。

三、放入应用程序进行分析

接下来，从一个应用程序的角度，来观察整个Linux系统模型，并分析影响应用程序性能的因素：

软件层面

首先，应用程序需要从磁盘拷贝到内存，需要进行逻辑地址 -> 线性地址 ->物理地址的转换，

因素：分页机制
原因：线性地址的划分，直接影响页表的层级。比如在32位系统中，将线性地址划分为高10位，中10位和低12位，就形成了二级页表机制，而每次读取一次页表信息，
通常需要访问一次内存，访存所消耗的时间直接影响到了程序运行的性能。而对于不可避免的访存，通常会有TLB快表机制，来提升性能。

转换到了物理地址，就意味着和磁盘打交道了，需要协调好访问磁盘的IO请求先后处理顺序，

因素：磁盘调度策略
原因：在磁盘上读取数据，比较耗时的操作就是磁盘旋转次数和磁盘寻道时间了，对于多个磁盘IO请求，不同的调度算法将导致不同的旋转次数和寻道时间，从而间
接影响到了访问磁盘的时间了。
PS：常用的调度算法有CFQ（完全公平排队调度）、NOOP（电梯式调度）、Deadline（截止时间调度）等。

将应用程序读取到内存之后，其所在的进程也创建起来了，此时通常会调用fork系统调用来创建子进程，系统调用的保存和恢复现场对应用程序的启动运行也有一定的影响，

因素：系统调用保存和恢复现场机制
原因：如果是将CPU现场保存在内存中，需要消耗一些访存时间；而现代的Linux系统通常会有类似于快照的功能，用CPU内部的存储器保存和恢复现场，从而加快
系统调用的执行速度。

系统调用前期处理完，接下来需要对子进程内部资源（地址空间、页表、打开文件列表等）进行初始化，

因素：进程创建策略
原因：传统的进程创建（传统UNIX），是把父进程的所有资源复制到子进程中，即把父进程的地址空间中的内容全部复制到子进程的地址空间中，既耗时又效率低；
如今针对fork创建进程，是采用了写时复制技术（COW），允许父子进程读相同的物理页，只要两者有一个进程试图写物理页，内核就把这个页的内容拷贝到一新物理页中，
并把这个新的物理页分配给正在写的进程，从而大大地提高了效率。

进程创建完，就被作为可运行态进程放入运行队列中，若是没有其他IO请求或资源请求，就等待CPU资源，然后被执行，

因素：进程调度策略
原因：这个因素比较重要，直接影响到该应用程序所在的进程能否尽快被执行。在linux系统中，一般将进程分为普通进程和实时进程；对于普通进程，采用时间片轮转策略；
对于实时进程，有时间片轮转和FIFO先进先出策略两种。并且普通进程中的交互进程和实时进程会有更高的优先级，可以优先被执行。另外还有CFS完全公平调度策略，
也有利于交互进程的执行。

在运行过程中，由于内存容量的限制，有时不可避免地会发生缺页异常，需要进行页面置换，从分配的物理页中选择一页换出去，再将需要的页从磁盘换进来，该如何选取被换出的页，也是一个影响程序性能的重要因素，

因素：页面置换算法
原因：如果页面置换算法选取不当，就会导致较大的缺页率，从而需要频繁地读取磁盘，换进换出。

有时还需要处理外设发来的IO请求，如何处理并响应，也会影响到程序的性能。

因素：中断机制
原因：从一般的操作系统角度来说，程序查询、中断和DMA三种IO方式，对程序乃至整个系统的影响，差距是比较大的。在Linux系统中，用得较多的还是中断方式，
并且将中断分为了上半部和下半部，上半部处理紧急的事件，比如接收外设传来的数据；而下半部则是可延迟处理的部分，如内核对接收到的外设数据的处理。将下半部
从中断处理例程中抽取出来，可以保证较短的中断响应时间。待所有的硬件中断处理完之后，再对这些软中断逐一处理，从而极大提高了对中断的处理和响应了。

硬件层面

分析完软件层面之后。在硬件方面上，主要是CPU、内存和网络这三个因素了
由于硬件层面更多的还是代表了整个系统的性能，所以这里就简单描述了：

CPU

CPU数量、主频大小。

内存

这里主要分为了物理内存和虚拟内存，并且虚拟内存也不是越大越好，虚存太大，所要维护的额外开销可能会更大。

网络

主要是网络带宽以及网络中的数据流。

以上就是我对影响应用程序性能因素的分析，如有不当之处，还望指正！

从系统的角度分析影响程序执行性能的因素

原文：https://www.cnblogs.com/liulhong/p/14754994.html