实验总结分析报告：从系统的角度分析影响程序执行性能的因素
1、计算机硬件系统
冯·诺依曼体系计算机由运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备5部分组成。
输入设备接受外界信息(程序和数据)，控制器发出指令将数据送入(内))存储器，然后向内存储器发出取指令命令。在取指令命令下，程序指令逐条送入控制器。控制器对指令进行译码，并根据指令的操作要求，向存储器和运算器发出存数、取数命令和运算命令，经过运算器计算并把计算结果存在存储器内。最后在控制器发出的取数和输出命令的作用下，通过输出设备输出计算结果
2、Linux内核的核心功能
Linux内核只是Linux操作系统一部分。对下，它管理系统的所有硬件设备；对上，它通过系统调用，向Library Routine（例如C库）或者其它应用程序提供接口。因此，其核心功能就是：管理硬件设备，供应用程序使用。
3、Linux操作系统整体架构
对于操作系统的目的，对底层来说，与硬件交互管理所有的硬件资源；对上层来说，为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境。最关键的是三个部分，进程管理、内存管理和文件管理。进程管理是系统的核心，内存管理负责内存分配与地址空间的映射，文件管理负责磁盘空间的管理。
3.1、进程管理
进程管理是Linux内核的核心
计算机有“三大法宝“：存储程序计算机、函数调用堆栈机制、中断，操作系统有”两把宝剑“：中断上下文、进程上下文。
存储程序计算机：将编写好的程序和数据先写入存储器中，然后启动计算机工作。
函数调用堆栈机制：记录函数调用框架、传递函数参数、保存返回值的地址、提供函数内部局部变量的存储空间
中断：CPU在运行目前任务时，当有特别事件发生时，CPU应当暂停正在执行的程序，转向执行处理该事件的子程序；事件处理完毕后，恢复原来的状态，再继续执行原来的程序。进程中断又分为硬中断和软中断（异常），系统调用也是一种特殊的中断。
中断上下文切换：当内核执行一个中断处理程序时，内核处于中断上下文中。中断上下文和进程无关。因为没有后备进程，所以中断上下文不可以睡眠，不能在里面进行有可能使它睡眠的操作。中断上下文会一直运行至结束，不会被抢占。
进程上下文切换：进程上下文是一种内核所处的操作模式，此时内核代表进程执行-------例如，执行系统调用或运行内核线程。在线程上下文，可以通过current宏关联当前进程。因为进程是以进程上下文的形式连接到内核中断，因此，进程上下文可以睡眠，也可以调度程序。运行于进程上下文的内核代码是可抢占的。
1、进程的描述
在Linux内核中⽤⼀个数据结构struct task_struct来描述进程，直接或间接提供了进程相关的所有信息。struct task_struct的结构包括了进程的状态、进程双向链表的管理，以及控制台tty、⽂件系统fs的描述、进程打开⽂件的⽂件描述符files、内存管理的描述mm，还有进程间通信的信号signal的描述等内容。
2、进程的创建
init_task为第⼀个进程（0号进程）的进程描述符结构体变量，它的初始化是通过硬编码⽅式固定下来的。除此之外，所有其他进程的初始化都是通过do_fork复制⽗进程的⽅式初始化的。1号和2号进程的创建是start_kernel初始化到最后由rest_ init通kernel_thread创建了两个内核线程：⼀个是kernel_init，最终把⽤户态的进程init给启动起来，是所有⽤户进程的祖先；另⼀个是kthreadd内核线程，kthreadd内核线程是所有内核线程的祖先，负责管理所有内核线程
3、进程的状态
Linux 内核中，当进程是 TASK_RUNNING 状态时，它是可运行的，也就是就绪态，是否在运行取决于它有没、有获得 CPU 的控制权，也就是说这个进程有没有在 CPU 中实际执行。如果在 CPU 中实际执行了，进程状态就是运行态；如果被内核调度出去了，在等待队列里就是就绪态。
一个正在运行的进程在等待特定的事件或资源时会进入阻塞态。阻塞态也有两种： TASK_INTERRUPTIBLE 和 TASK_UNINTERRUPTIBLE。TASK_INTERRUPTIBLE 状态是 可以被信号和 wake_up()唤醒的，当信号到来时，进程会被设置为 TASK_RUNNING（就绪态，但是没有在运行），而 TASK_UNINTERRUPTIBLE 只能被 wake_up() 唤醒。如果事件发生或者资源可用，进程被唤醒并被放到运行队列上（操 作系统原理的说法应该是就绪队列）
4、进程调度
当前Linux系统的解决方案是，对于实时进程，Linux采用FIFO（先进先出）或者Round Robin（时间片轮转）的调度策略。对其他进程，当前Linux采用CFS（Completely Fair Scheduler）调度器，核心思想是“完全公平”。
Linux系统中常用的几种调度策略为SCHED_NORMAL、SCHED_FIFO、SCHED_RR、SCHED_BATCH。其中SCHED_NORMAL是用于普通进程的调度类，而SCHED_FIFO和SCHED_RR是用于实时进程的调度类，优先级高于SCHED_NORMAL。内核中根据进程的优先级来区分普通进程与实时进程，Linux内核进程优先级为0～139，数值越高，优先级越低，0为最高优先级。实时进程的优先级取值为0~99；而普通进程只具有nice值，nice值映射到优先级为100～139。子进程会继承父进程的优先级。对于实时进程，Linux系统会尽量使其调度延时在一个时间期限内。
5、进程切换
为了控制进程的执行，内核必须有能力挂起正在CPU上运行的进程，并恢复执行以前挂起的某个进程。这种行为被称为进程切换，任务切换或进程上下文切换。
3.2、内存管理
Linux采用虚拟内存管理技术，利用虚拟内存技术让每个进程都有4GB 互不干涉的虚拟地址空间。
用户进程部分分段存储内容可由栈、堆、BSS段、数据段、代码段组成。 在将应用程序加载到内存空间执行时，操作系统负责代码段、数据段和BSS段的加载，并在内存中为这些段分配空间。栈也由操作系统分配和管理；堆由程序员自己管理，即显式地申请和释放空间。
3.3、文件管理
文件系统的实质，就是“存储和组织数据的方法”，文件系统的表现形式，就是“从某个设备中读取数据和向某个设备写入数据”。
Linux内核将不同功能的外部设备，例如Disk设备（硬盘、磁盘、NAND Flash、Nor Flash等）、输入输出设备、显示设备等等，抽象为可以通过统一的文件操作接口（open、close、read、write等）来访问。这就是Linux系统“一切皆是文件”的体现。
随着计算机技术的进步，存储和组织数据的方法也是在不断进步的，从而导致有多种类型的文件系统，例如FAT、FAT32、NTFS、EXT2、EXT3等等。而为了兼容，操作系统或者内核，要以相同的表现形式，同时支持多种类型的文件系统，这就延伸出了虚拟文件系统（VFS）的概念。VFS的功能就是管理各种各样的文件系统，屏蔽它们的差异，以统一的方式，为用户程序提供访问文件的接口。
4、举例
读写文件
- 用户态运行的程序触发文件读写系统调用
- 通过软中断-陷阱(Trap)进入内核态，并通过中断向量表查询触发的系统调用
- 通过系统调用读写文件
- 触发中断，返回用户态执行
5、影响程序性能的原因
影响性能因素
1、CPU负载
CPU 是操作系统稳定运行的根本，CPU 的速度与性能很大一部分决定了系统整体的性能，因此 CPU 数量越多、主频越高，服务器性能也就相对越好,可以通过top命令查看CPU使用率等。
2、内存
内存的大小也是影响 Linux 性能的一个重要的因素。通过free查看内存使用情况
3、I/O
磁盘的 I/O 能力会直接影响应用程序的性能。比如说，在一个需要频繁读写的应用中，如果磁盘 I/O 性能得不到满足，就会导致应用的停滞。可通过iostat命令查看，该命令包含在sysstat包中。
Perf性能优化工具
1、源程序
考查下面这个例子程序。其中函数 longa() 是个很长的循环，比较浪费时间。函数 foo1 和 foo2 将分别调用该函数 10 次，以及 100 次。编译它
void longa() { int i,j; for(i = 0; i < 1000000; i++) j=i; //am I silly or crazy? I feel boring and desperate. } void foo2() { int i; for(i=0 ; i < 10; i++) longa(); } void foo1() { int i; for(i = 0; i< 100; i++) longa(); } int main(void) { foo1(); foo2(); }
2、查看整体情况
程序 t1 是一个 CPU bound 型，因为 task-clock-msecs 接近 1
对 t1 进行调优应该要找到热点 ( 即最耗时的代码片段 )，再看看是否能够提高热点代码的效率。
有些程序慢是因为计算量太大，其多数时间都应该在使用 CPU 进行计算，这叫做 CPU bound 型；有些程序慢是因为过多的 IO，这种时候其 CPU 利用率应该不高，这叫做 IO bound 型；对于 CPU bound 程序的调优和 IO bound 的调优是不同的。
3、查看报告进行优化
不出所料，hot spot 是 longa( ) 函数。
实际中，可以通过这样查看hot spot是哪个，然后相应的对其进行优化。
