从系统的角度分析影响程序执行性能的因素

1 linux的精简系统模型

　　Linux，全称GNU/Linux，是一种免费使用和自由传播的类UNIX操作系统，它主要受到Minix和Unix思想的启发，是一个基于POSIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。

　　 Linux是操作系统的一类，而操作系统中最重要的一个功能就是系统调用，而系统调用会涉及到内核态和用户态，Linux将内存低地址部分设置为内核空间，高地址部分设置为用户空间，具体如下。

　　　　

 

 

　　　有了用户空间和内核空间，整个linux内部结构可以分为三部分，从最底层到最上层依次是：硬件-->内核空间-->用户空间。

 

　　　　

 

 

 

2 进程管理

　　  进程的特征

　　　　　　动态性：进程的实质是程序在多道程序系统中的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的。

　　　　　　并发性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行

　　　　　　独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位；

             　　异步性：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进

　　　　　　结构特征：进程由程序、数据和进程控制块三部分组成。

　　　　

　　　　进程的状态

　　　　

　　　　　　创建状态：进程在创建时需要申请一个空白PCB，向其中填写控制和管理进程的信息，完成资源分配。把此时进程所处状态称为创建状态。

　　　　　　就绪状态：进程已经准备好，已分配到所需资源，只要得到CPU就能够运行。

　　　　　　执行状态：进程被调度后，进程进入执行状态。

　　　　　　阻塞状态：正在执行的进程由于某些事件（I/O请求，申请缓存区失败）而暂时无法运行，进程受到阻塞。在满足请求时进入就绪状态等待系统调用。

　　　　　　终止状态：进程结束，或出现错误，或被系统终止，进入终止状态。
　　　　  需要注意的是，在Linux中，进程的就绪态和运行态都用TASK_RUNNING来表示，具体区分他们的方法是看他们是否得到了CPU。

　　　　进程调度算法：主要是用来从进程就绪队列中选择一个进程来分配CPU。

　　　　　　1 先来先去服务 2.时间片轮转法 3.最短进程优先 4.最高响应比优先 5 多级反馈队列算法。

　　　　　　在Linux中，对于实时进程和普通进程采用的算法一般不一样，对于前者常常采用先来先服务和时间片轮转算法；对于后者一般采用基于权重的优先级调度算法，且一般优先级为(100- 139 越高优先级越低)。

 

3 内存管理

　　　　连续内存分配， 意思就是分配给程序的内存在物理上是连续的。

　　　　　　连续内存分配算法有首次适配，最佳适配，最差适配。

　　　　非连续内存分配， 分配给程序的内存在物理上可以不是连续的。　

　　　　　　非连续内存分配主要是通过分段和分页来完成的。

　　　　虚拟内存

　　　　　　把程序中的一部分放入到内存中，对程序员透明。可以根据内存的使用情况，动态的对程序部分内容在内存与外存中进行交换。

　　　　　　主要的原理是基于局部性原理，大致思想是1现在被访问的地址将来一段时间内还有可能再次被访问到 2 现在执行的指令将来一段时间还有可能再次执行。以上两点分别对应空间局部性和时间局部性。

　　　　为了可以使用虚拟内存，需要进行内存和外存的交换，存在一些页面置换算法。

　　　　　　最优页面置换算法（OPT） 先进先出算法（FIFO） 最近最久未使用（LRU） 时钟页面置换算法（Clock） 最不常用算法（LFU）

4 中断

　　中断是计算机很重要的一个概念，有了中断极大的提高了系统的吞吐量和资源的利用率。

　　中断主要分为外中断和内中断，外中断是发生在CPU外部的中断(比如I/O请求), 内部中断主要是CPU内部的中断(比如缺页中断), 同时内中断也叫做异常。

　　内中断的例子 

　　　　有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令——陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号。

　　　  执行“陷入指令”，意味着应用程序主动地将CPU控制权还给操作系统内核。“系统调用”就是通过陷入指令完成的。

　　在linux中，比较重要的一条指令是陷入指令 通过int $0x80或者syscall来调用，达到从用户态向内核态的转变。

 5 文件管理

　　Linux中一切都是文件，包括硬件设备，可以通过管理文件来对计算机的各种资源进行管理。

　　虚拟文件系统（Virtual File System，简称VFS）是Linux内核的子系统之一，它为用户程序提供文件和文件系统操作的统一接口，屏蔽不同文件系统的差异和操作细节。借助VFS可以直接使用open()、read()、write()这样的系统调用操作文件，而无须考虑具体的文件系统和实际的存储介质。

　　举个例子，Linux用户程序可以通过read() 来读取ext3、NFS、XFS等文件系统的文件，也可以读取存储在SSD、HDD等不同存储介质的文件，无须考虑不同文件系统或者不同存储介质的差异。

 6 影响应用程序表现性能的因素分析

　　 从以上几个操作系统的功能，我们可以得出影响应用程序表现性能的因素有以下几个。

　　　 1 内存

　　　　　　因为程序都是在内存中运行的，所以如果内存越大的话，能够运行的程序越多，发生内存交换的概率就越小，自然的程序的运行效率就越高。

　　　 2 cpu

　　　　　　CPU的个数也起到了很关键的作用，如果CPU的个数很少，那么在很多进的情况下，某些进程的等待时间就会变的很长。多核情况下可以减少进程的等待时间。

　　　 3 磁盘I/O

　　　　　　当发生了缺页中断需要进行外存和内存的交换的时候，磁盘I/O也会影响应用程序的表现性能。或者该应用程序需要进行很多的读写磁盘操作，磁盘I/O影响因素很大。

　　　 4 网络带宽

　　　　　　现在都是web应用，如果网络带宽不好，导致延迟较高，那么应用程序的性能也会变差。

　　　 5 各种算法　

　　　　　　对于不同的应用程序来说，如果选择了不合适的算法，比如页面置换算法，进程调度算法等等，也会影响应用程序的性能。

 7 总结 

　　感谢李老师和孟老师对这门课程的付出，让我学到了很多，比如系统调用，以前仅仅是了解到系统调用这个层面上，现在知道了更加底层的原理，会执行syscall函数来进入内核态。Linux这门课程让我对操作系统有了更加清晰的理解，我以后会在编写代码的时候多思考，多考虑底层，编写出高质量的代码！ 再次感谢老师们的付出！