Linux系统概念模型与影响程序执行性能的因素分析
一、精简的Linux系统概念模型
（一）Linux系统模型
从整体而言，Linux系统分为用户空间和内核空间两部分。而完整的Linux内核运行于内核空间，它管理底层的所有硬件设备；同时也向用户提供系统调用接口来使用某些特权操作。
（二）Linux内核
Linux内核主要提供以下服务：系统调用接口、中断管理、进程管理、内存管理、文件系统以及硬件驱动程序。
1. 中断管理
（1）概念：因为某些原因，系统转去执行其他任务，待处理完毕后，如果能返回原来的任务，则返回继续执行原来的任务。
（2）类型：硬中断，软中断；硬中断是由硬件发出的，可以中断CPU的中断；软中断又分为故障和陷阱，都是由当前程序（指令）发出的，陷阱则是调用系统调用，故障则是当前程序出现了某些不可预期的错误（如除以0，段错误等等）
2. 系统调用接口
（1）概念：应用程序不可以直接使用或调度系统资源，因为如果每个进程都可以有权进行这样的操作，会出现不可预估的错误！所以，当程序需要这些资源时，可以通过系统调用从用户态进入内核态，由内核对操作系统的资源进行调配（例如malloc函数就是通过函数api来调用系统分配内存的system call）
3.进程管理
（1）进程的概念：进程是程序的执行过程，是动态的概念，由PCB所映射。
（2）进程的状态：创建态、就绪态、阻塞态、运行态、结束态（Linux下：等待态，运行态，睡眠态，僵死态）
（3）进程的切换：切换内核态的堆栈和保存当前进程的CPU上下文，然后加载需要切换的进程的内核堆栈以及它的上下文。
（4）调度时机：时间片用完；更高优先级抢占；系统调用返回用户态；中断处理后返回用户态
（5）调度算法：FIFO，RR（多了时间片的FIFO算法），NORMAL
4.内存管理
（1）在内核态申请分配内存，直接分配；在用户态申请分配内存，分配一个线性地址空间和使用权，待真正使用这块内存时，会发生缺页异常，然后进行真的分配
（2）父子进程的地址空间是一样的，采取写时复制的策略
5.文件系统
Linux下“一切皆文件”。所以所有的“文件”都可以用统一的接口（open，close，read，write）实现
6.硬件驱动程序
不同的硬件设备提供不同的驱动程序，以便于使用该硬件。
（三）常见的操作命令
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ps -axj查看进程及其状态
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getrusage检测缺页数量
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df 查看磁盘空间大小
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du查看文件和目录大小
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top查看cpu占用高的进程pid
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dmesg查看内核中的保存信息，可了解发生段错误的程序名称、发生段错误的内存地址、指令指针地址、堆栈指针地址、错误代码、错误原因等。
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pwd显示绝对路径
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gerp正则匹配
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ld链接指令
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objdump -t xxx.o 查看xxx.o的符号表（readelf）
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readelf 重定位表的查看方法
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ln p1 p2：p1指明一个现有的文件的路径名，p2指明新建立的硬链接的路径名；ln -s p1 p2 创建软连接
二、影响执行性能的因素
（一）可执行程序的’生成‘
在分析相关因素前，先把可执行程序的‘前世今生’给梳理了：
1.预处理
a.将所有引用的头文件打开插入到程序
b.将所有的宏进行替换
c.删除注释
d.将不进入的条件编译语句删除
Linux下命令：gcc -E x.c -o x.i，其中x.i就是经过预处理的c程序
2.编译
gcc首先要检查代码的规范性、是否有语法错误等，以确定代码的实际要做的工作，在检查无误后，gcc把代码翻译成汇编语言。
Linux下命令：gcc -S x.i -o x.s，其中x.s就是经过编译后的汇编语言文件
3.汇编
把汇编代码变成可以执行的机器语言
Linux下命令 gcc -C x.s -o x.o，其中x.o就是经过汇编后的机器语言文件，其中该文件由段组成，至少有两个段：代码段（包含的主要是程序的指令，分为可读和可执行），数据段（存放程序中用到的各种全局变量或静态的数据）
4.链接
将有关的目标文件彼此相连接（例如程序中可能调用了某个库文件中的函数，或者某个源文件中调用了另一个源文件中的函数等等）
a.静态链接：每个可执行程序中对所需要的目标文件都有一份副本，如果多个程序对同一个目标文件都有依赖，如多个程序中都调用了printf()函数，则多个程序中都会含有printf.o文件，所有一个目标文件在内存中存在多个副本，浪费空间；更新困难，每当库函数的代码修改了，此时就要重新进行编译汇编链接步骤；但执行快，因为可执行程序中已经包含了所有需要的东西了
b.动态链接：在程序运行时才将各个独立部分链接在一起；例如有两个可执行程序A.o，B.o，都共用一个库lib.o，假设首先A运行，发现其调用lib.o，则会加载lib.o进内存；然后B运行，发现其调用lib.o，此时lib.o由于A的加载已经存在内存了，就无需重新加载，而是将内存中已经存在的lib.o映射到B的虚拟地址空间中，从而进行链接。空间节约以及更新容易，但执行较静态链接稍慢
（二）影响因素
（1）程序的链接方式，如果使用静态链接，执行速度会更快一点，但空间浪费率较大
（2）调度算法的使用
（3）I/O密集型进程是否把大量I/O操作放在主线程执行，是的话会导致CPU大量空余
（4）该程序的局部性是否优秀，例如有无大量使用函数调用或者goto语句
（5）硬件性能：CPU，内存大小，高速缓冲数量，带宽
