效能測試必備基礎知識(二)

空慧居士發表於2023-12-05

1. CPU 使用率

除了空閒時間外的其他時間佔總 CPU 時間的百分比，就是CPU 使用率，即 1- 空閒時間/CPU 總時間。

當計算 CPU 使用率時，我們通常使用 /proc/stat 檔案中的資料。該檔案提供了有關 CPU 的計數器資訊，包括各種狀態下的節拍數。透過 cat  /proc/stat 命令就可詳細檢視其資訊，其中各

列的含義如下：

  • user（通常縮寫為 us），代表使用者態 CPU 時間。注意，它不包括下面的 nice 時間，但包括了 guest 時間。

  • nice（通常縮寫為 ni），代表低優先順序使用者態 CPU 時間，也就是程式的 nice 值被調整為 1-19 之間時的 CPU 時間。這裡注意，nice 可取值範圍是 -20 到 19，數值越大，優先順序反而越低。

  • system（通常縮寫為sys），代表核心態 CPU 時間。

  • idle（通常縮寫為id），代表空閒時間。注意，它不包括等待 I/O 的時間（iowait）。

  • iowait（通常縮寫為 wa），代表等待 I/O 的 CPU 時間。

  • irq（通常縮寫為 hi），代表處理硬中斷的 CPU 時間。

  • softirq（通常縮寫為 si），代表處理軟中斷的 CPU 時間。

  • steal（通常縮寫為 st），代表當系統執行在虛擬機器中的時候，被其他虛擬機器佔用的 CPU 時間。

  • guest（通常縮寫為 guest），代表透過虛擬化執行其他作業系統的時間，也就是執行虛擬機器的 CPU 時間。

  • guest_nice（通常縮寫為 gnice），代表以低優先順序執行虛擬機器的時間。

2. 軟中斷

假設你正在使用一款音樂播放器應用程式，同時還在進行其他任務，如瀏覽網頁。在某個時刻，音樂播放器應用程式需要通知你有一條新的訊息到達。然而，應用程式不能直接中斷你正在瀏覽的網頁，因為這會干擾你的體驗。因此，應用程式使用軟中斷來通知你。

當新的訊息到達時，音樂播放器應用程式觸發一個軟中斷，類似於傳送一個"通知"。這個軟中斷會暫停當前正在執行的任務（瀏覽網頁），然後轉移控制權到應用程式內部的中斷處理程式。在中斷處理程式中，應用程式可以執行特定的操作，比如彈出一個訊息通知，顯示新訊息的內容。

一旦中斷處理程式完成執行，控制權將返回給瀏覽器應用程式，你可以繼續瀏覽網頁，並在螢幕上看到新訊息的通知。

這個例子中，軟中斷允許應用程式在後臺處理事件，並以非侵入性的方式通知使用者。它提供了應用程式與作業系統之間的通訊和協調，而無需直接中斷正在執行的任務。軟中斷的關鍵特點是它由軟體觸發和處理，而不是由外部裝置觸發。

在實際的計算機系統中，軟中斷用於各種目的，如處理網路資料包、處理磁碟操作、定時器事件等。它們提供了一種有效的方式來處理非同步事件，同時保持系統的響應性和穩定性。

網路卡接收到資料包後，會透過硬體中斷的方式，通知核心有新的資料到了。這時，核心就應該呼叫中斷處理程式來響應它。網路卡接收到資料包後，會透過硬體中斷的方式，通知核心有新的資料到了。這時，核心就應該呼叫中斷處理程式來響應它。最後再傳送一個軟中斷訊號，需要從記憶體中找到網路資料，再按照網路協議棧，對資料進行逐層解析和處理，直到把它送給應用程式。

3. 記憶體對映

在現代作業系統中，包括Linux，記憶體管理採用了虛擬記憶體的概念。每個程式都有自己的虛擬地址空間，它是一個抽象的地址空間，與實際的實體記憶體地址是分離的。虛擬地址是由程式使用的，而不是直接對映到實體記憶體。

記憶體對映透過將虛擬記憶體地址對映到實體記憶體地址，將虛擬地址空間與實體記憶體關聯起來。這樣，程式可以使用虛擬地址來訪問記憶體，而無需關心實際的實體記憶體位置。

為了實現這種對映，作業系統維護了一個頁表，它是一個資料結構，記錄了虛擬地址與實體地址之間的對映關係。每個程式都有自己的頁表，用於管理它的虛擬地址空間。

當程式訪問一個虛擬地址時，作業系統會使用頁表查詢對應的實體地址。如果存在對映關係，作業系統將虛擬地址轉換為對應的實體地址，以便在實體記憶體中讀寫資料。如果沒有對映關係，則會觸發頁面錯誤（page fault），作業系統會根據情況從磁碟中載入資料到實體記憶體，並更新頁表以建立對映關係。

記憶體對映在檔案操作中也使用了類似的機制。當將檔案內容對映到程式的地址空間時，作業系統會將檔案的內容對映到一段虛擬地址空間，這樣程式就可以透過讀寫這些虛擬地址來實現對檔案的訪問。

因此，記憶體對映不僅用於將虛擬記憶體地址對映到實體記憶體地址，也用於將檔案內容對映到程式的地址空間中。頁表是維護這些對映關係的重要資料結構，它記錄了虛擬地址與實體地址之間的對應關係。

 

4. 虛擬記憶體空間分佈

  1. 程式碼段（Text Segment）：
    程式碼段包含了可執行程式的機器指令。它通常是隻讀的，因為指令不應該被修改。當程式被載入到記憶體中時，程式碼段被對映到程式的虛擬記憶體空間，以供執行。

  2. 資料段（Data Segment）：
    資料段包含了全域性變數和靜態變數的記憶體空間。它通常是可讀寫的。資料段在程式執行時初始化，並且在整個程式的生命週期中保持不變。

  3. 堆（Heap）：
    堆是動態分配記憶體的區域。在堆中，程式可以透過呼叫諸如malloc()和free()等函式來動態地分配和釋放記憶體。堆的大小可以在執行時進行調整。

  4. 棧（Stack）：
    棧用於儲存區域性變數、函式呼叫和函式引數。棧是以後進先出（LIFO）的方式進行管理的。每當呼叫函式時，棧會分配一段記憶體來儲存該函式的區域性變數和其他相關資訊。當函式返回時，這些記憶體將被釋放。

  5. 共享庫區域（Shared Library Region）：
    共享庫區域包含了共享庫的程式碼和資料。這些庫可以由多個程式共享，以節省記憶體空間。當多個程式使用相同的共享庫時，它們可以將該庫對映到自己的虛擬記憶體空間中，以便共享使用。

  6. 核心空間（Kernel Space）：
    核心空間是由作業系統核心使用的虛擬記憶體區域。它包含了作業系統核心的程式碼、資料和驅動程式等。使用者程式無法直接訪問核心空間，需要透過系統呼叫等特定介面與核心進行互動。

5. 記憶體分配

記憶體分配：

  1. 靜態分配：靜態分配是指在編譯時或程式啟動時就確定記憶體的分配情況。例如，全域性變數和靜態變數的記憶體分配在程式載入時完成，並在整個程式的生命週期中保持不變。

  2. 動態分配：動態分配是在程式執行時根據需要動態分配和釋放記憶體。常用的動態記憶體分配函式是malloc()、calloc()和realloc()。這些函式允許你請求一定大小的記憶體塊，並返回一個指向該記憶體塊的指標。動態分配的記憶體塊位於堆（Heap）區域。

記憶體回收：

  • 回收快取，比如使用 LRU（Least Recently Used）演算法，回收最近使用最少的記憶體頁面；

  • 回收不常訪問的記憶體，把不常用的記憶體透過交換分割槽直接寫到磁碟中；

  • 殺死程式，記憶體緊張時系統還會透過 OOM（Out of Memory），直接殺掉佔用大量記憶體的程式。

其中，第二種方式回收不常訪問的記憶體時，會用到交換分割槽（以下簡稱 Swap）。Swap 其實就是把一塊磁碟空間當成記憶體來用。它可以把程式暫時不用的資料儲存到磁碟中（這個過程稱為換出），當程式訪問這些記憶體時，再從磁碟讀取這些資料到記憶體中（這個過程稱為換入）。

不過要注意，通常只在記憶體不足時，才會發生 Swap 交換。並且由於磁碟讀寫的速度遠比記憶體慢，Swap 會導致嚴重的記憶體效能問題。

第三種方式提到的 OOM（Out of Memory），其實是核心的一種保護機制。它監控程式的記憶體使用情況，並且使用 oom_score 為每個程式的記憶體使用情況進行評分：

  • 一個程式消耗的記憶體越大，oom_score 就越大；

  • 一個程式執行佔用的 CPU 越多，oom_score 就越小。

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