从系统的角度分析影响程序执行性能的因素
1 Linux 精简结构
宏观上 Linux 的体系结构分为用户态和内核态，实现了三大核心功能进程管理、内存管理和虚拟文件系统管理，使应用程序能更好地利用计算机的硬件资源。
2 计算机三大法宝
2.1 存储程序
存储程序计算机即冯·诺依曼计算机，它由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成，其中指令和数据以二进制形式顺序存放在存储器中，计算机顺序取出、分析并执行指令。
2.2 堆栈机制
堆栈是记录程序运行时函数调用路径和参数存储的区域，其主要作用有记录函数调用、传递函数参数、保存返回值地址、提供函数内部局部变量的存储空间。
2.3 中断机制
中断本质是 CPU 对外开放的实时受控接口，其类别如下几种：
| 类别 | 原因 | 异步/同步 | 返回行为 |
|---|---|---|---|
| 中断 | 来自 IO 的信号 | 异步 | 返回下一条指令 |
| 陷阱 | 主动的异常 | 同步 | 返回下一条指令 |
| 故障 | 可恢复的错误 | 同步 | 返回当前指令 |
| 终止 | 不可恢复的错误 | 同步 | 不返回 |
特殊中断：系统调用
系统调用发生在用户态切换到内核态过程中，其意义是为用户进程与硬件设备之间提供了交互接口。
3 进程管理
3.1 进程状态
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TASK_RUNNING：进程准备执行或正在执行。
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TASK_INTERRUPTIBLE：进程被阻塞，可提前被信号打断唤醒。
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TASK_UNINTERRUPTIBLE：进程被阻塞，不可提前被信号打断唤醒。
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TASK_STOPPED：进程暂停运行。
-
TASK_ZOMBIE：进程被终止但未回收。
3.2 进程创建
init_task 是 0 号进程的进程描述符结构体变量，其初始化通过硬编码方式固定；其他所有进程都是通过 do_fork() 复制父进程的方式初始化。
3.3 进程调度
进程的调度时机发生在以下两种情况，一是内核线程主动调用 schedule() 让出 CPU；二是中断处理程序主动调用 schedule() 让出 CPU。进程的切换从本质上讲由两步组成，一是切换全局目录以安装一个新的地址空间；二是切换内核态堆栈和硬件上下文。
4 内存管理
在进程看来，内存地址空间分为内核态和用户态两部分，并且它们会被划分为不同区域以适用于不同目的。
内核地址空间划分为：直接映射区、动态内存映射区、永久内存映射区、固定映射区。
用户地址空间划分为：
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STACK：用户进程栈。
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MMAP：共享库及匿名文件的映射区域。
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HEAP：运行时的堆，在程序运行中使用 malloc 申请的内存区域。
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BSS：存放程序中未初始化的全局变量。
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DATA：数据段，映射程序中已经初始化的全局变量。
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TEXT：代码段可执行代码、字符串字面值、只读变量。
Linux 的地址映射过程为逻辑地址 –> 线性地址 –> 物理地址，其中分段机制把逻辑地址转换为线性地址，分页机制把线性地址转换为物理地址。
5 虚拟文件系统管理
Linux 系统内核在用户进程与实际文件系统之间加入了一个抽象层，称为虚拟文件系统。主要意义在于支持不同的文件系统，提供管理文件目录的统一方法以及允许访问其他操作系统的文件。
6 举例打开文件
6.1 具体流程
- 使用 open() 函数打开文件，则封装在 open() 中的 syscall 触发系统调用。
- 从 MSR 寄存器找到中断函数入口，通过 swapgs 和压栈动作保存现场。
- 跳转到系统调用表，从 ax 寄存器中获取到系统调用号。
- 执行 open() 函数，按名查找对应的文件结点。
- 从 inode 表中查找对应 inode 对象，从 inode 对象查找目录块编号，根据编号找到数据块。
- 在缓存中查找该数据块对应的页，若页命中则直接返回，未命中则读取内存中的页替换掉其他页。
- 在内存中若该数据块存在则对其引用并计数，不存在则创建 inode 对象和目录块对象，并在系统文件打开表中新增 FCB。
- 最后存在则返回文件描述符 fd，不存在则返回 -1，并恢复现场。
6.2 影响性能的因素
从上述流程中可以发现影响打开文件操作性能的因素：
- CPU：进程的调度速度。
- 缓存：缓存的命中率。
- 内存：内存寻址速度。
- 磁盘：IO 读写速度。
7 总结
本文从 Linux 体系结构和计算机三大法宝入手，分析了进程管理、内存管理和虚拟文件系统管理的模型，根据打开文件的实例总结了影响性能的因素。最后感谢孟老师和李老师的辛苦付出，为我们带来了如此精品的课程，也使我更清晰地认识到了 Linux 操作系统。
