嵌入式Linux内存使用与性能优化

嵌入式Linux内存使用与性能优化5.4性能分析5.4性能分析程序性能的问题，有很多原因，需要对症下药。导致软件性能低下，主要有下陶中原因。（1） 程序的运算量很大，导致CPU过于繁忙，CPU是瓶颈。可以在设备上运行“top”命令，如果某个进程的CPU利用率很高，则说明CPU是性能瓶颈。（2） 程序需要做大量的I/O,读写文件、内存操作等等，CPU更多的是处于等待，I/O部分成为程序性能的瓶颈。运行“top”命令，系统内进程的CPU利用率并不高，这时可以通过proc目录下的相关文件（后面将会讲到）查看系统I/O情况。如果系统存在大量的I/O,则可以断定I/O为性能瓶颈。对于大量I/O操作引起的程序性能问题，笔者向大家推荐一篇文章：《使用异步I/O大大提高应用程序的性能》，网址是/developerworks/cn/linux/l-async/这篇文章说得很透彻，也很详细，笔者就不再重复了。（3） 程序之间相互等待，结果CPU利用率很低，但运行速度依然很慢，程序间的共享与死锁制约了程序的性能。如果系统的CPU利用率并不高，而且也不存在大量的I/O操作，那么很可能是多个线程之间相互等待造成的，这时就需要对程序进行大规模的重构。本书将性能优化的重点放在第一种情况。proc目录通过proc目录，能够了解到CPU和IO设备的工作状况，从而能够帮助分析导致程序性能低下的原因。1.系统相关还是先通过proc目录，了解整个系统的性能。#cat/proc/statcpu511607801249195604155cpu0511607801249195604155intr364129000000007793000069000034250001000856126201400085936839200115701152033000012000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000200000000000000000000ctxt231056btime1167696676processes515procs_running1procs_blocked0因为嵌入式设备中一般只有一个CPU，所以这里只关注第一行。cpu511607801249195604155cpu后面数值分别代表着CPU在不同状态下所用的时间，其单位为jiffy（0.01s），7个数值的含义分别是：user（5116）:从系统启动开始累计到当前时刻，用户态的CPU时间，不包含nice值为负的进程。nice（0）:从系统启动开始累计到当前时刻，nice值为负的进程所占用的CPU时间。system（7801）:从系统启动开始累计到当前时刻，内核所占用的CPU时间。idle（249195）:从系统启动开始累计到当前时刻，除硬盘IO等待时间以外其他等待时间。iowait（60）:从系统启动开始累计到当前时刻，硬盘IO等待时间。irq（41）:从系统启动开始累计到当前时刻，硬中断时间。softirq（55）:从系统启动开始累计到当前时刻，软中断时间。由此可以推导出：CPU时间=user+system+nice+idle+iowait+irq+softirqCPU的利用率二1-(idle)/(user+system+nice+idle+iowait+irq+softirq)根据CPU的利用率，可以知道当前系统的CPU的负载情况。从这些数据中，可以分析出性能瓶颈在哪：程序代码有问题，导致占用了大量的CPU，可以通过CPU用户态利用率二(user+nice)/(user+system+nice+idle+iowait+irq+softirq)来了解。程序代码调用了大量的系统调用，导致Linux内核占用了大量的CPU，可以通过CPU内核态利用率二(system)/(user+system+nice+idle+iowait+irq+softirq)来了解。系统和Flash、内存等有大量的交互和等待，从而导致系统性能下降，可以通过IO利用率二(iowait)/(user+system+nice+idle+iowait+irq+softirq)来了解。通过这些数据，可粗略定位系统的瓶颈为何种类型，从而进行有目的的优化。还有一个与程序性能有关的指标：#cat/proc/loadavg0.640.530.433/121482loadavg主要检查当前的系统的负载情况。其数据含义如下：0.64 1分钟平均负载。0.53 5分钟平均负载。0.43 15分钟平均负载。3 在采样时刻，运行队列的任务的数目，与/proc/stat的procs_running表示相同意思。121 在采样时刻，系统中活跃的任务的个数(不包括运行已经结束的任务)。482最大的pid值，包括轻量级进程，即线程。2.进程相关在proc目录下面，有很多以数字为名字的目录，这些数字对应着当前系统中的进程和线程，进入目录，可以看到很多文件，这些文件则标识着每个进程和线程的相关信息。cd/proc/510查看文件stat：catstat510（telnetd）S3673673670-1256223010060015010250583690496155429496729532768645464320444795232044470881091367176004032218344880017000c2477820每个参数解释如下：pid=510进程（包括轻量级进程，即线程）号。comm=telnetd应用程序或命令的名字。task_state=S任务的状态，R：runnign；S：sleeping；D：disksleep；T：stopped；T：tracingstop；Z：zombie；X：dead。ppid=367父进程ID。pgid=367线程组号。sid=367该任务所在的会话组ID。tty_nr=0（pts/3）该任务的tty终端的设备号，INT（34817/256）二主设备号，（34817-主设备号）二次设备号。tty_pgrp=-1终端的进程组号，当前运行在该任务所在终端的前台任务（包括Shell应用程序）的PID。task->flags=256进程标志位，查看该任务的特性。min_flt=223该任务不需要从硬盘拷数据而发生的缺页（次缺页）的次数。cmin_flt=0累计的该任务的所有的waited-for进程曾经发生的次缺页的数目。maj_flt=1该任务需要从硬盘拷数据而发生的缺页（主缺页）的次数。cmaj_flt=0累计的该任务的所有的waited-for进程曾经发生的主缺页的数目。utime=0该任务在用户态运行的时间，单位为jiffy。stime=6该任务在核心态运行的时间，单位为jiffy。cutime=0累计的该任务的所有的waited-for进程曾经在用户态运行的时间，单位为jiffy。cstime=0累计的该任务的所有的waited-for进程曾经在核心态运行的时间，单位为jiffy。priority=15任务的动态优先级。nice=0任务的静态优先级。num_threads=1该任务所在的线程组里线程的个数。it_real_value=0由于计时间隔导致的下一个SIGALRM发送进程的时延，以jiffy为单位。start_time=25058该任务启动的时间，单位为jiffy。vsize=3690496该任务的虚拟地址空间大小。rss=155（page）该任务当前驻留物理地址空间的大小。vsize=3690496该任务的虚拟地址空间大小。这些页可能用于代码、数据和栈。rss=155（page）该任务当前驻留物理地址空间的大小。rlim=4294967295（bytes）该任务能驻留物理地址空间的最大值。start_code=32768该任务在虚拟地址空间的代码段的起始地址。end_code=645464该任务在虚拟地址空间的代码段的结束地址。start_stack=3204447952该任务在虚拟地址空间的栈的结束地址。kstkesp=3204447088esp（32位堆栈指针）的当前值，与在进程的内核堆栈页得到的一致。kstkeip=1091357176指向将要执行的指令的指针，EIP（32位指令指针）的当前值.。pendingsig=0待处理信号的位图，记录发送给进程的普通信号。block_sig=0阻塞信号的位图。sigign=4忽略的信号的位图。sigcatch=0被俘获的信号的位图。wchan=3221834488如果该进程是睡眠状态，该值给出调度的调用点。nswap=0被swapped的页数，当前没用。cnswap=0所有子进程被swapped的页数的和，当前没用。exit_signal=17该进程结束时，向父进程所发送的信号。task_cpu(task)=0运行在哪个CPU上。task_rt_priority=0实时进程的相对优先级别。task_policy=0进程的调度策略，0：非实时进程；1：FIFO实时进程；2：RR实时进程。通过文件stat的utime、stime、cutime和cstime的数值，能够计算出进程的CPU占用率。主要思路：进程CPU占用率二进程占用CPU时间/系统总的时间。进程占用CPU时间，可以从进程的stat文件获得(utime、stime、cutime、cstime)，系统总的时间，需要通过其他方式获得，例如通过/proc/stat或者通过C函数gettime获得。要想获得进程CPU占用率，需要两个采样点：采样点1：系统时间记为：sys1，进程时间分别为：utime1stime1cutime1cstime1采样点2：系统时间记为：sys2，进程时间分别为：：utime2stime2cutime2cstime2进程CPU占用率二((utime2+stime2-cutime2-cstime2)-(utime1+stime1-cutime1-cstime1))/(sys2-sys1)进程用户态占用率=((utime2-cutime2)-(utime1-cutime1))/(sys2-sys1)进程内核态占用率=((stime2-cstime2)-(stime1-cstime1))/(sys2-sys1)3.top虽然能够通过proc目录获得绝大部分进程的运行信息，但对于程序员来讲还不是很直观，好在Linux上有一些现成的工具可以供我们使用。top是最常用来监控系统范围内进程活动的工具，它提供运行在系统上的与CPU关系最密切的进程列表，以及许多有意义的统计值，例如负载平均、进程数量以及使用的存储器和页面空间的数量。一般使用top命令来查看进程的CPU利用率的问题。在某一刻，系统突然变得很慢，这时候我们的第一反应就是运行top，来查看是哪一个进程占用了大量的CPU。#busyboxtopMem:87128Kused,27360Kfree,0Kshrd,17888Kbuff,42396KcachedLoadaverage:1.24,0.48,0.17(State:S=sleepingR=running,W=waiting)