从系统的角度分析影响程序执行性能的因素

1. 精简的 Linux 系统概念模型

一个 Linux 系统主要可以划分为以下三部分：

1. 用户空间

   • Shell

     shell 顾名思义，就是外壳的意思。好像把内核包裹起来的外壳。它是一种特殊的应用程序，俗称命令行。为了方便用户和系统交互。

   • 库函数

     库函数就是屏蔽这些复杂的底层实现细节，减轻程序员的负担，从而更加关注上层的逻辑实现。它对系统调用进行封装，提供简单的基本接口给用户，这样增强了程序的灵活性。

2. 内核空间

   • 系统调用将 Linux 整个体系分为用户态和内核态（或者说内核空间和用户空间）。

   • 内核实现了操作系统的三大功能，即进程管理、内存管理和文件系统；

     对应操作系统原理课程中最重要的 3 个抽象概念是进程、虚拟地址和文件。

   • 驱动程序是应用软件和硬件的桥梁。

3. 硬件空间

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|                                       |
| Application |------------|------------|
|             |  Library   |   Shell    |
|---------------------------------------|
|             System call               |
|---------------------------------------|
|                Kernel                 |
|---------------------------------------|
|            Device Driver              |
|---------------------------------------|
|               Hardware                |
----------------------------------------|

例如当我们想在shell里打印出 "Hello World" 时，流程如下：

• 调用 printf() 函数
• 跟踪发现调用 write() 函数
• 继续跟踪，发现 write() 的声明再 user.h 中，但找不到具体实现，说明是一个系统调用
• write() 系统调用号存放在 eax 寄存器中，通过 int 进行系统调用
• 接下来就是中断的处理过程，进入内核态。
• 执行结束后恢复现场，回到用户态，"Hello World" 出现在 shell 中。

2. 影响应用程序性能表现的因素

以 Redis 数据库为例。

• Redis 使用操作系统提供的虚拟内存来存储数据，如果操作系统使用交换空间，数据可能被实际保存在硬盘上。

• Redis 支持持久化，可以把数据保存在硬盘上，但持久化也会占用一部分资源。

• Redis 大多数时候时单线程运行，就不会受到线程同步带来的开销。

• 虽然 Redis 是单线程的，但通过多路 I/O 复用机制 epoll ，处理客户端请求时，不会阻塞主线程。

  但 epoll 在监控的描述符状态变化很多的情况下，由于 epoll 中所有的描述符都存储在内核中，描述符的状态改变可能频繁触发系统调用，降低效率。

• Redis 单纯执行（大多数指令）一个指令不到 1 微秒，但是，单核 CPU 一秒就能处理一百万个指令（大概对应着几十万个请求），用不着实现多线程，网络才是瓶颈。