Linux课程总结：从系统的角度分析影响程序执行性能的因素

Posted 2021-05-18 气力自然

1 Linux系统精简模型

1.1 三层结构

通过本课程的学习，简单将Linux系统分为以下三层结构：用户程序、Linux内核、硬件。

用户程序通过库函数和系统调用访问计算机资源。Linux内核向上对用户程序提供系统调用接口，向下使用驱动程序访问硬件。硬件通过硬件中断与内核打交道。

1.2 内核功能

在Linux内核中，还提供了进程管理、内存管理、文件管理等功能。

（1）进程管理：Linux将一个任务（程序）表示为一个进程，提供进程调度、进程通信等功能。

（2）内存管理：LInux提供了对内存的管理。

（3）文件管理：Linux将一切看为文件，使用虚拟文件系统（VFS）隐藏具体的文件系统，向上提供统一的接口。

1.3 读文件实例

（1）用户编写了一个读磁盘文件的程序，程序被表示为一个进程。

（2）程序调用read()库函数，read再调用对应的系统调用，进入内核。

（3）内核通过进程描述符里的用户打开文件表找到文件描述信息，通过虚拟文件系统的系统打开文件表找到文件的inode节点。

（4）使用预先注册好的在file_operations里定义的读操作，执行真正的读文件。

2 影响性能的因素

按照上面的三层结构来分析影响性能的因素。

2.1 硬件因素

包括CPU性能、内存大小、磁盘性能等。

2.2 操作系统因素

如进程调度策略，时间片的大小。这些都会影响进程调度的顺序和时间，最终影响性能。

2.3 用户软件因素

应用程序编写不好也会影响系统性能。

3 实例

实际上很多时候影响程序性能的原因是多方面的。

下面两个程序使用了两种不同的顺序计算矩阵乘法。

其中，程序A里的矩阵c和矩阵b都是行优先。程序B里的矩阵c和矩阵a都是列优先。

程序A：

 程序B：

它们的cache misses次数分别为：

程序A的cache misses次数：

程序B的cache misses次数：

最终程序A的性能远好于程序B。

分析：局部性原理，cache会添加一块连续的内存数据，为了cache高命中，我们应该尽可能连续的访问内存中的成员，比如上述的行优先访问数组。在编写程序时，应该编写cache友好的代码。