嵌入式Linux內(nèi)存使用與性能優(yōu)化

嵌入式Linux內(nèi)存使用與性能優(yōu)化5.4性能分析5.4性能分析程序性能的問題，有很多原因，需要對癥下藥。導(dǎo)致軟件性能低下，主要有下陶中原因。（1） 程序的運算量很大，導(dǎo)致CPU過于繁忙，CPU是瓶頸?？梢栽谠O(shè)備上運行“top”命令，如果某個進程的CPU利用率很高，則說明CPU是性能瓶頸。（2） 程序需要做大量的I/O,讀寫文件、內(nèi)存操作等等，CPU更多的是處于等待，I/O部分成為程序性能的瓶頸。運行“top”命令，系統(tǒng)內(nèi)進程的CPU利用率并不高，這時可以通過proc目錄下的相關(guān)文件（后面將會講到）查看系統(tǒng)I/O情況。如果系統(tǒng)存在大量的I/O,則可以斷定I/O為性能瓶頸。對于大量I/O操作引起的程序性能問題，筆者向大家推薦一篇文章：《使用異步I/O大大提高應(yīng)用程序的性能》，網(wǎng)址是/developerworks/cn/linux/l-async/這篇文章說得很透徹，也很詳細，筆者就不再重復(fù)了。（3） 程序之間相互等待，結(jié)果CPU利用率很低，但運行速度依然很慢，程序間的共享與死鎖制約了程序的性能。如果系統(tǒng)的CPU利用率并不高，而且也不存在大量的I/O操作，那么很可能是多個線程之間相互等待造成的，這時就需要對程序進行大規(guī)模的重構(gòu)。本書將性能優(yōu)化的重點放在第一種情況。proc目錄通過proc目錄，能夠了解到CPU和IO設(shè)備的工作狀況，從而能夠幫助分析導(dǎo)致程序性能低下的原因。1.系統(tǒng)相關(guān)還是先通過proc目錄，了解整個系統(tǒng)的性能。#cat/proc/statcpu511607801249195604155cpu0511607801249195604155intr364129000000007793000069000034250001000856126201400085936839200115701152033000012000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000200000000000000000000ctxt231056btime1167696676processes515procs_running1procs_blocked0因為嵌入式設(shè)備中一般只有一個CPU，所以這里只關(guān)注第一行。cpu511607801249195604155cpu后面數(shù)值分別代表著CPU在不同狀態(tài)下所用的時間，其單位為jiffy（0.01s），7個數(shù)值的含義分別是：user（5116）:從系統(tǒng)啟動開始累計到當前時刻，用戶態(tài)的CPU時間，不包含nice值為負的進程。nice（0）:從系統(tǒng)啟動開始累計到當前時刻，nice值為負的進程所占用的CPU時間。system（7801）:從系統(tǒng)啟動開始累計到當前時刻，內(nèi)核所占用的CPU時間。idle（249195）:從系統(tǒng)啟動開始累計到當前時刻，除硬盤IO等待時間以外其他等待時間。iowait（60）:從系統(tǒng)啟動開始累計到當前時刻，硬盤IO等待時間。irq（41）:從系統(tǒng)啟動開始累計到當前時刻，硬中斷時間。softirq（55）:從系統(tǒng)啟動開始累計到當前時刻，軟中斷時間。由此可以推導(dǎo)出：CPU時間=user+system+nice+idle+iowait+irq+softirqCPU的利用率二1-(idle)/(user+system+nice+idle+iowait+irq+softirq)根據(jù)CPU的利用率，可以知道當前系統(tǒng)的CPU的負載情況。從這些數(shù)據(jù)中，可以分析出性能瓶頸在哪：程序代碼有問題，導(dǎo)致占用了大量的CPU，可以通過CPU用戶態(tài)利用率二(user+nice)/(user+system+nice+idle+iowait+irq+softirq)來了解。程序代碼調(diào)用了大量的系統(tǒng)調(diào)用，導(dǎo)致Linux內(nèi)核占用了大量的CPU，可以通過CPU內(nèi)核態(tài)利用率二(system)/(user+system+nice+idle+iowait+irq+softirq)來了解。系統(tǒng)和Flash、內(nèi)存等有大量的交互和等待，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，可以通過IO利用率二(iowait)/(user+system+nice+idle+iowait+irq+softirq)來了解。通過這些數(shù)據(jù)，可粗略定位系統(tǒng)的瓶頸為何種類型，從而進行有目的的優(yōu)化。還有一個與程序性能有關(guān)的指標：#cat/proc/loadavg0.640.530.433/121482loadavg主要檢查當前的系統(tǒng)的負載情況。其數(shù)據(jù)含義如下：0.64 1分鐘平均負載。0.53 5分鐘平均負載。0.43 15分鐘平均負載。3 在采樣時刻，運行隊列的任務(wù)的數(shù)目，與/proc/stat的procs_running表示相同意思。121 在采樣時刻，系統(tǒng)中活躍的任務(wù)的個數(shù)(不包括運行已經(jīng)結(jié)束的任務(wù))。482最大的pid值，包括輕量級進程，即線程。2.進程相關(guān)在proc目錄下面，有很多以數(shù)字為名字的目錄，這些數(shù)字對應(yīng)著當前系統(tǒng)中的進程和線程，進入目錄，可以看到很多文件，這些文件則標識著每個進程和線程的相關(guān)信息。cd/proc/510查看文件stat：catstat510（telnetd）S3673673670-1256223010060015010250583690496155429496729532768645464320444795232044470881091367176004032218344880017000c2477820每個參數(shù)解釋如下：pid=510進程（包括輕量級進程，即線程）號。comm=telnetd應(yīng)用程序或命令的名字。task_state=S任務(wù)的狀態(tài)，R：runnign；S：sleeping；D：disksleep；T：stopped；T：tracingstop；Z：zombie；X：dead。ppid=367父進程ID。pgid=367線程組號。sid=367該任務(wù)所在的會話組ID。tty_nr=0（pts/3）該任務(wù)的tty終端的設(shè)備號，INT（34817/256）二主設(shè)備號，（34817-主設(shè)備號）二次設(shè)備號。tty_pgrp=-1終端的進程組號，當前運行在該任務(wù)所在終端的前臺任務(wù)（包括Shell應(yīng)用程序）的PID。task->flags=256進程標志位，查看該任務(wù)的特性。min_flt=223該任務(wù)不需要從硬盤拷數(shù)據(jù)而發(fā)生的缺頁（次缺頁）的次數(shù)。cmin_flt=0累計的該任務(wù)的所有的waited-for進程曾經(jīng)發(fā)生的次缺頁的數(shù)目。maj_flt=1該任務(wù)需要從硬盤拷數(shù)據(jù)而發(fā)生的缺頁（主缺頁）的次數(shù)。cmaj_flt=0累計的該任務(wù)的所有的waited-for進程曾經(jīng)發(fā)生的主缺頁的數(shù)目。utime=0該任務(wù)在用戶態(tài)運行的時間，單位為jiffy。stime=6該任務(wù)在核心態(tài)運行的時間，單位為jiffy。cutime=0累計的該任務(wù)的所有的waited-for進程曾經(jīng)在用戶態(tài)運行的時間，單位為jiffy。cstime=0累計的該任務(wù)的所有的waited-for進程曾經(jīng)在核心態(tài)運行的時間，單位為jiffy。priority=15任務(wù)的動態(tài)優(yōu)先級。nice=0任務(wù)的靜態(tài)優(yōu)先級。num_threads=1該任務(wù)所在的線程組里線程的個數(shù)。it_real_value=0由于計時間隔導(dǎo)致的下一個SIGALRM發(fā)送進程的時延，以jiffy為單位。start_time=25058該任務(wù)啟動的時間，單位為jiffy。vsize=3690496該任務(wù)的虛擬地址空間大小。rss=155（page）該任務(wù)當前駐留物理地址空間的大小。vsize=3690496該任務(wù)的虛擬地址空間大小。這些頁可能用于代碼、數(shù)據(jù)和棧。rss=155（page）該任務(wù)當前駐留物理地址空間的大小。rlim=4294967295（bytes）該任務(wù)能駐留物理地址空間的最大值。start_code=32768該任務(wù)在虛擬地址空間的代碼段的起始地址。end_code=645464該任務(wù)在虛擬地址空間的代碼段的結(jié)束地址。start_stack=3204447952該任務(wù)在虛擬地址空間的棧的結(jié)束地址。kstkesp=3204447088esp（32位堆棧指針）的當前值，與在進程的內(nèi)核堆棧頁得到的一致。kstkeip=1091357176指向?qū)⒁獔?zhí)行的指令的指針，EIP（32位指令指針）的當前值.。pendingsig=0待處理信號的位圖，記錄發(fā)送給進程的普通信號。block_sig=0阻塞信號的位圖。sigign=4忽略的信號的位圖。sigcatch=0被俘獲的信號的位圖。wchan=3221834488如果該進程是睡眠狀態(tài)，該值給出調(diào)度的調(diào)用點。nswap=0被swapped的頁數(shù)，當前沒用。cnswap=0所有子進程被swapped的頁數(shù)的和，當前沒用。exit_signal=17該進程結(jié)束時，向父進程所發(fā)送的信號。task_cpu(task)=0運行在哪個CPU上。task_rt_priority=0實時進程的相對優(yōu)先級別。task_policy=0進程的調(diào)度策略，0：非實時進程；1：FIFO實時進程；2：RR實時進程。通過文件stat的utime、stime、cutime和cstime的數(shù)值，能夠計算出進程的CPU占用率。主要思路：進程CPU占用率二進程占用CPU時間/系統(tǒng)總的時間。進程占用CPU時間，可以從進程的stat文件獲得(utime、stime、cutime、cstime)，系統(tǒng)總的時間，需要通過其他方式獲得，例如通過/proc/stat或者通過C函數(shù)gettime獲得。要想獲得進程CPU占用率，需要兩個采樣點：采樣點1：系統(tǒng)時間記為：sys1，進程時間分別為：utime1stime1cutime1cstime1采樣點2：系統(tǒng)時間記為：sys2，進程時間分別為：：utime2stime2cutime2cstime2進程CPU占用率二((utime2+stime2-cutime2-cstime2)-(utime1+stime1-cutime1-cstime1))/(sys2-sys1)進程用戶態(tài)占用率=((utime2-cutime2)-(utime1-cutime1))/(sys2-sys1)進程內(nèi)核態(tài)占用率=((stime2-cstime2)-(stime1-cstime1))/(sys2-sys1)3.top雖然能夠通過proc目錄獲得絕大部分進程的運行信息，但對于程序員來講還不是很直觀，好在Linux上有一些現(xiàn)成的工具可以供我們使用。top是最常用來監(jiān)控系統(tǒng)范圍內(nèi)進程活動的工具，它提供運行在系統(tǒng)上的與CPU關(guān)系最密切的進程列表，以及許多有意義的統(tǒng)計值，例如負載平均、進程數(shù)量以及使用的存儲器和頁面空間的數(shù)量。一般使用top命令來查看進程的CPU利用率的問題。在某一刻，系統(tǒng)突然變得很慢，這時候我們的第一反應(yīng)就是運行top，來查看是哪一個進程占用了大量的CPU。#busyboxtopMem:87128Kused,27360Kfree,0Kshrd,17888Kbuff,42396KcachedLoadaverage:1.24,0.48,0.17(State:S=sleepingR=running,W=waiting)