从系统的角度分析影响程序执行性能的因素

参考：https://github.com/mengning/mykernel 

一、序言

影响程序执行性能的因素有很多，但是经过对linux操作系统这门课程的学习，我们可以从系统的角度来考虑和提高程序执行的性能。

二、Linux系统体系结构

Linux系统一般有4个主要部分：内核、shell、文件系统和应用程序。内核、shell和文件系统一起形成了基本的操作系统结构，它们使得用户可以运行程序、管理文件并使用系统。

 

 

 

内核是操作系统的核心，具有很多最基本功能，它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。

 

Linux 内核由如下几部分组成：内存管理、进程管理、设备驱动程序、文件系统和网络管理等。

 

 

用户态的应用程序可以通过三种方式来访问内核态的资源：

1）系统调用

2）库函数

3）Shell脚本

 三、进程管理

进程实际是某特定应用程序的一个运行实体。在 Linux 系统中，能够同时运行多个进程，Linux 通过在短的时间间隔内轮流运行这些进程而实现“多任务”。这一短的时间间隔称为“时间片”，让进程轮流运行的方法称为“进程调度” ，完成调度的程序称为调度程序。

进程调度控制进程对CPU的访问。当需要选择下一个进程运行时，由调度程序选择最值得运行的进程。可运行进程实际上是仅等待CPU资源的进程，如果某个进程在等待其它资源，则该进程是不可运行进程。Linux使用了比较简单的基于优先级的进程调度算法选择新的进程。

通过多任务机制，每个进程可认为只有自己独占计算机，从而简化程序的编写。每个进程有自己单独的地址空间，并且只能由这一进程访问，这样，操作系统避免了进程之间的互相干扰以及“坏”程序对系统可能造成的危害。 为了完成某特定任务，有时需要综合两个程序的功能，例如一个程序输出文本，而另一个程序对文本进行排序。为此，操作系统还提供进程间的通讯机制来帮助完成这样的任务。Linux 中常见的进程间通讯机制有信号、管道、共享内存、信号量和套接字等。

内核通过 SCI 提供了一个应用程序编程接口（API）来创建一个新进程（fork、exec 或 Portable Operating System Interface [POSⅨ] 函数），停止进程（kill、exit），并在它们之间进行通信和同步（signal 或者 POSⅨ 机制）。

四、文件系统

和 DOS 等操作系统不同，Linux 操作系统中单独的文件系统并不是由驱动器号或驱动器名称（如 A: 或 C: 等）来标识的。相反，和 UNIX 操作系统一样，Linux 操作系统将独立的文件系统组合成了一个层次化的树形结构，并且由一个单独的实体代表这一文件系统。Linux 将新的文件系统通过一个称为“挂装”或“挂上”的操作将其挂装到某个目录上，从而让不同的文件系统结合成为一个整体。Linux 操作系统的一个重要特点是它支持许多不同类型的文件系统。Linux 中最普遍使用的文件系统是 Ext2，它也是 Linux 土生土长的文件系统。但 Linux 也能够支持 FAT、VFAT、FAT32、MINIX 等不同类型的文件系统，从而可以方便地和其它操作系统交换数据。由于 Linux 支持许多不同的文件系统，并且将它们组织成了一个统一的虚拟文件系统.

虚拟文件系统（VirtualFileSystem,VFS）:隐藏了各种硬件的具体细节，把文件系统操作和不同文件系统的具体实现细节分离了开来，为所有的设备提供了统一的接口，VFS提供了多达数十种不同的文件系统。虚拟文件系统可以分为逻辑文件系统和设备驱动程序。逻辑文件系统指Linux所支持的文件系统，如ext2,fat等，设备驱动程序指为每一种硬件控制器所编写的设备驱动程序模块。

虚拟文件系统（VFS）是 Linux 内核中非常有用的一个方面，因为它为文件系统提供了一个通用的接口抽象。VFS 在 SCI 和内核所支持的文件系统之间提供了一个交换层。即VFS在用户和文件系统之间提供了一个交换层。

VFS在用户和文件系统之间提供了一个交换层:

 

 

在 VFS 上面，是对诸如 open、close、read 和 write 之类的函数的一个通用 API 抽象。在 VFS 下面是文件系统抽象，它定义了上层函数的实现方式。它们是给定文件系统（超过 50 个）的插件。文件系统的源代码可以在 ./linux/fs 中找到。

文件系统层之下是缓冲区缓存，它为文件系统层提供了一个通用函数集（与具体文件系统无关）。这个缓存层通过将数据保留一段时间（或者随即预先读取数据以便在需要是就可用）优化了对物理设备的访问。缓冲区缓存之下是设备驱动程序，它实现了特定物理设备的接口。

因此，用户和进程不需要知道文件所在的文件系统类型，而只需要象使用 Ext2 文件系统中的文件一样使用它们。

五、内存管理

对任何一台计算机而言，其内存以及其它资源都是有限的。为了让有限的物理内存满足应用程序对内存的大需求量，Linux 采用了称为“虚拟内存”的内存管理方式。Linux 将内存划分为容易处理的“内存页”（对于大部分体系结构来说都是 4KB）。Linux 包括了管理可用内存的方式，以及物理和虚拟映射所使用的硬件机制。

不过内存管理要管理的可不止 4KB 缓冲区。Linux 提供了对 4KB 缓冲区的抽象，例如 slab 分配器。这种内存管理模式使用 4KB 缓冲区为基数，然后从中分配结构，并跟踪内存页使用情况，比如哪些内存页是满的，哪些页面没有完全使用，哪些页面为空。这样就允许该模式根据系统需要来动态调整内存使用。

为了支持多个用户使用内存，有时会出现可用内存被消耗光的情况。由于这个原因，页面可以移出内存并放入磁盘中。这个过程称为交换，因为页面会被从内存交换到硬盘上。内存管理的源代码可以在 ./linux/mm 中找到。

六、中断管理

中断的类型

硬件中断（Interrupt），也称为外部中断，就是CPU的两根引脚（可屏蔽中断和不可屏蔽中断）的电平信号。CPU在执行每条指令后检测这两根引脚的电平，如果是高电平，说明有中断请求，CPU就会中断当前程序的执行去处理中断。一般外设都是以这种方式通知CPU的，如时钟、键盘、硬盘等。

软件中断/异常（Exception），也称为内部中断，包括除零错误、系统调用、调试断点等，在CPU执行指令过程中发生的各种特殊情况统称为异常。异常会导致程序无法继续执行，而跳转到CPU预设的处理函数。异常分为如下3种：

故障（Fault）：故障就是有问题了，但可以恢复到当前指令。例如除0错误、缺页异常等。

退出（Abort）：简单说是不可恢复的严重故障，导致程序无法继续运行，只能退出了。例如连续发生故障（double fault）。

陷阱（Trap）：程序主动产生的异常，在执行当前指令后发生。前面研究的系统调用（int 0x80）以及调试程序时设置断点的指令（int 3）都属于这类。简单说就是程序自己要借用中断这种机制进行跳转，所以在有些书中也称为“自陷”。从CPU的视角看，其处理机制与其他中断处理方式并无区别，我们可以以系统调用为例以此类推到一般的中断机制。

中断过程

中断执行过程：

确定中断向量，利用idtr找到中断入口地址，确定特权级是否匹配，是否需要变更堆栈段，然后在栈中保存eflags、cs和eip的内容（保存在被中断进程的内核栈中）如果异常产生一个硬件出错码，则将它保存在栈中，然后装载cs和eip寄存器，执行中断处理程序。

中断返回：

用保存在栈中的值装载cs、eip和eflags寄存器。如果一个硬件出错码曾被压入栈中，那么弹出这个硬件出错码，检查中断前是否在内核态，如果不是，从栈中装载ss和esp，回退到用户态。

 七、Linux应用程序性能影响因素

哪些情况能影响性能：

大量的网页请求会填满运行队列、大量的上下文切换，中断

大量的磁盘请求

网卡大量的吞吐

以及内存耗尽等

总的来说就是CPU、内存、磁盘读写（I/O）能力、网络带宽

八、心得体会

通过对本门课程的学习，我对Linux内核的工作机制和工作原理有了更加深入的理解，多次的实验更是让我把知识融会贯通，最后感谢老师辛勤的贡献。