性能测试必备基础知识(二)

1. CPU 使用率

除了空闲时间外的其他时间占总 CPU 时间的百分比，就是CPU 使用率，即 1- 空闲时间/CPU 总时间。

当计算 CPU 使用率时，我们通常使用 /proc/stat 文件中的数据。该文件提供了有关 CPU 的计数器信息，包括各种状态下的节拍数。通过 cat  /proc/stat 命令就可详细查看其信息，其中各

列的含义如下：

• user（通常缩写为 us），代表用户态 CPU 时间。注意，它不包括下面的 nice 时间，但包括了 guest 时间。

• nice（通常缩写为 ni），代表低优先级用户态 CPU 时间，也就是进程的 nice 值被调整为 1-19 之间时的 CPU 时间。这里注意，nice 可取值范围是 -20 到 19，数值越大，优先级反而越低。

• system（通常缩写为sys），代表内核态 CPU 时间。

• idle（通常缩写为id），代表空闲时间。注意，它不包括等待 I/O 的时间（iowait）。

• iowait（通常缩写为 wa），代表等待 I/O 的 CPU 时间。

• irq（通常缩写为 hi），代表处理硬中断的 CPU 时间。

• softirq（通常缩写为 si），代表处理软中断的 CPU 时间。

• steal（通常缩写为 st），代表当系统运行在虚拟机中的时候，被其他虚拟机占用的 CPU 时间。

• guest（通常缩写为 guest），代表通过虚拟化运行其他操作系统的时间，也就是运行虚拟机的 CPU 时间。

• guest_nice（通常缩写为 gnice），代表以低优先级运行虚拟机的时间。

2. 软中断

假设你正在使用一款音乐播放器应用程序，同时还在进行其他任务，如浏览网页。在某个时刻，音乐播放器应用程序需要通知你有一条新的消息到达。然而，应用程序不能直接中断你正在浏览的网页，因为这会干扰你的体验。因此，应用程序使用软中断来通知你。

当新的消息到达时，音乐播放器应用程序触发一个软中断，类似于发送一个"通知"。这个软中断会暂停当前正在执行的任务（浏览网页），然后转移控制权到应用程序内部的中断处理程序。在中断处理程序中，应用程序可以执行特定的操作，比如弹出一个消息通知，显示新消息的内容。

一旦中断处理程序完成执行，控制权将返回给浏览器应用程序，你可以继续浏览网页，并在屏幕上看到新消息的通知。

这个例子中，软中断允许应用程序在后台处理事件，并以非侵入性的方式通知用户。它提供了应用程序与操作系统之间的通信和协调，而无需直接中断正在执行的任务。软中断的关键特点是它由软件触发和处理，而不是由外部设备触发。

在实际的计算机系统中，软中断用于各种目的，如处理网络数据包、处理磁盘操作、定时器事件等。它们提供了一种有效的方式来处理异步事件，同时保持系统的响应性和稳定性。

网卡接收到数据包后，会通过硬件中断的方式，通知内核有新的数据到了。这时，内核就应该调用中断处理程序来响应它。网卡接收到数据包后，会通过硬件中断的方式，通知内核有新的数据到了。这时，内核就应该调用中断处理程序来响应它。最后再发送一个软中断信号，需要从内存中找到网络数据，再按照网络协议栈，对数据进行逐层解析和处理，直到把它送给应用程序。

3. 内存映射

在现代操作系统中，包括Linux，内存管理采用了虚拟内存的概念。每个进程都有自己的虚拟地址空间，它是一个抽象的地址空间，与实际的物理内存地址是分离的。虚拟地址是由进程使用的，而不是直接映射到物理内存。

内存映射通过将虚拟内存地址映射到物理内存地址，将虚拟地址空间与物理内存关联起来。这样，进程可以使用虚拟地址来访问内存，而无需关心实际的物理内存位置。

为了实现这种映射，操作系统维护了一个页表，它是一个数据结构，记录了虚拟地址与物理地址之间的映射关系。每个进程都有自己的页表，用于管理它的虚拟地址空间。

当进程访问一个虚拟地址时，操作系统会使用页表查找对应的物理地址。如果存在映射关系，操作系统将虚拟地址转换为对应的物理地址，以便在物理内存中读写数据。如果没有映射关系，则会触发页面错误（page fault），操作系统会根据情况从磁盘中加载数据到物理内存，并更新页表以建立映射关系。

内存映射在文件操作中也使用了类似的机制。当将文件内容映射到进程的地址空间时，操作系统会将文件的内容映射到一段虚拟地址空间，这样进程就可以通过读写这些虚拟地址来实现对文件的访问。

因此，内存映射不仅用于将虚拟内存地址映射到物理内存地址，也用于将文件内容映射到进程的地址空间中。页表是维护这些映射关系的重要数据结构，它记录了虚拟地址与物理地址之间的对应关系。

4. 虚拟内存空间分布

1. 代码段（Text Segment）：
   代码段包含了可执行程序的机器指令。它通常是只读的，因为指令不应该被修改。当程序被加载到内存中时，代码段被映射到进程的虚拟内存空间，以供执行。

2. 数据段（Data Segment）：
   数据段包含了全局变量和静态变量的内存空间。它通常是可读写的。数据段在程序运行时初始化，并且在整个程序的生命周期中保持不变。

3. 堆（Heap）：
   堆是动态分配内存的区域。在堆中，程序可以通过调用诸如malloc()和free()等函数来动态地分配和释放内存。堆的大小可以在运行时进行调整。

4. 栈（Stack）：
   栈用于存储局部变量、函数调用和函数参数。栈是以后进先出（LIFO）的方式进行管理的。每当调用函数时，栈会分配一段内存来存储该函数的局部变量和其他相关信息。当函数返回时，这些内存将被释放。

5. 共享库区域（Shared Library Region）：
   共享库区域包含了共享库的代码和数据。这些库可以由多个进程共享，以节省内存空间。当多个进程使用相同的共享库时，它们可以将该库映射到自己的虚拟内存空间中，以便共享使用。

6. 内核空间（Kernel Space）：
   内核空间是由操作系统内核使用的虚拟内存区域。它包含了操作系统内核的代码、数据和驱动程序等。用户进程无法直接访问内核空间，需要通过系统调用等特定接口与内核进行交互。

5. 内存分配

内存分配：

1. 静态分配：静态分配是指在编译时或程序启动时就确定内存的分配情况。例如，全局变量和静态变量的内存分配在程序加载时完成，并在整个程序的生命周期中保持不变。

2. 动态分配：动态分配是在程序运行时根据需要动态分配和释放内存。常用的动态内存分配函数是malloc()、calloc()和realloc()。这些函数允许你请求一定大小的内存块，并返回一个指向该内存块的指针。动态分配的内存块位于堆（Heap）区域。

内存回收：

• 回收缓存，比如使用 LRU（Least Recently Used）算法，回收最近使用最少的内存页面；

• 回收不常访问的内存，把不常用的内存通过交换分区直接写到磁盘中；

• 杀死进程，内存紧张时系统还会通过 OOM（Out of Memory），直接杀掉占用大量内存的进程。

其中，第二种方式回收不常访问的内存时，会用到交换分区（以下简称 Swap）。Swap 其实就是把一块磁盘空间当成内存来用。它可以把进程暂时不用的数据存储到磁盘中（这个过程称为换出），当进程访问这些内存时，再从磁盘读取这些数据到内存中（这个过程称为换入）。

不过要注意，通常只在内存不足时，才会发生 Swap 交换。并且由于磁盘读写的速度远比内存慢，Swap 会导致严重的内存性能问题。

第三种方式提到的 OOM（Out of Memory），其实是内核的一种保护机制。它监控进程的内存使用情况，并且使用 oom_score 为每个进程的内存使用情况进行评分：

• 一个进程消耗的内存越大，oom_score 就越大；

• 一个进程运行占用的 CPU 越多，oom_score 就越小。

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