Linux系統(tǒng)內(nèi)核性能評測

skysong1982

Linux以其開放和自由的特性，日益受到人們的關(guān)注，并被廣泛應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、電子商務(wù)、并行運(yùn)算、輔助教學(xué)、大型
服務(wù)器
、
嵌入式
應(yīng)用和桌面辦公等不同的領(lǐng)域，為我國軟件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了契機(jī)。研究Linux內(nèi)核的評測方法、評價(jià)工具和評測標(biāo)準(zhǔn)，頗具意義和實(shí)用價(jià)值，有助于 Linux國產(chǎn)化發(fā)展，同時(shí)也是國家電子基金項(xiàng)目的重要組成部分。
    Linux內(nèi)核是Linux操作系統(tǒng)最核心的部分，其性能直接決定了操作系統(tǒng)的性能。
測試
內(nèi)核性能的方法是針對Linux內(nèi)核五大子系統(tǒng)（進(jìn)程調(diào)度子系統(tǒng)、內(nèi)存管理子系統(tǒng)、虛擬文件子系統(tǒng)、進(jìn)程通信子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)）的自身特點(diǎn)，測量出Linux內(nèi)核完成工作量負(fù)載的響應(yīng)時(shí)間、CPU時(shí)間和CPU利用率等參數(shù)，作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。
    Linux內(nèi)核
測試
法
    1.Linux測試項(xiàng)目(LTP)
    LTP（Linux test project）套件涵蓋了內(nèi)核的大多數(shù)接口，如系統(tǒng)調(diào)用、內(nèi)存、IPC、I/O、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)項(xiàng)目收集了各種 Linux內(nèi)核測試工具和相關(guān)資料，當(dāng)前包括了超過 2900個(gè)測試用例。
    2.可擴(kuò)展性測試平臺(tái)（STP）
    開放源代碼開發(fā)實(shí)驗(yàn)室 (Open Source Development Labs,
OSDL)創(chuàng)建了可擴(kuò)展測試平臺(tái)(Scalable Test Platform，STP)系統(tǒng)。STP 是一個(gè)自動(dòng)化的測試平臺(tái)，
STP可以構(gòu)建內(nèi)核、設(shè)置測試、運(yùn)行測試，并收集結(jié)果，然后進(jìn)行深入地比較。
    3.代碼覆蓋分析
    代碼覆蓋分析在一個(gè)給定的測試運(yùn)行時(shí)，分析出內(nèi)核中哪些代碼行被執(zhí)行，提示內(nèi)核的哪些部分還沒有被測試到，并指出需要再編寫哪些新測試來測試內(nèi)核的相應(yīng)部分，以使可以得到更完備的測試。
    4.內(nèi)核回歸測試
    對Linux內(nèi)核執(zhí)行持續(xù)多日的回歸測試，創(chuàng)建實(shí)時(shí)的、集中的檔案庫，以隨時(shí)獲得 Linux內(nèi)核的快照，內(nèi)核發(fā)生改變，測試人員就可進(jìn)行測試。
    Linux內(nèi)核架構(gòu)
    Linux內(nèi)核主要由五大子系統(tǒng)組成：進(jìn)程調(diào)度子系統(tǒng)(Process Scheduler)、內(nèi)存管理子系統(tǒng)(Memory
Manager)、虛擬文件子系統(tǒng)(Virtual File System)、進(jìn)程通信子系統(tǒng)(Inter-Process
Communication)和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(Network Interface)，其中進(jìn)程調(diào)度子系統(tǒng)是
Linux操作系統(tǒng)的核心。這五大子系統(tǒng)彼此緊密協(xié)作，共同對用戶程序提供服務(wù)，其系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示。

圖1. Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)

   
核心的子系統(tǒng)是進(jìn)程調(diào)度子系統(tǒng)，所有子系統(tǒng)依賴它來掛起/喚醒進(jìn)程。當(dāng)進(jìn)程被喚醒后，進(jìn)程調(diào)度子系統(tǒng)依靠內(nèi)存管理子系統(tǒng)來對進(jìn)程的內(nèi)存映射(頁表)進(jìn)行調(diào)
整；進(jìn)程間通訊子系統(tǒng)依靠內(nèi)存管理子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存通信機(jī)制，允許多個(gè)進(jìn)程共享物理內(nèi)存；虛擬文件子系統(tǒng)依靠網(wǎng)絡(luò)接口子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)
(NFS)，并且依靠內(nèi)存管理子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn) Ramdisk 設(shè)備；內(nèi)存管理子系統(tǒng)依靠虛擬文件子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對換。
    由此可見，測試Linux性能的關(guān)鍵在于測試Linux內(nèi)核性能，而測試Linux內(nèi)核性能又可以細(xì)化成五大子系統(tǒng)的測試。
性能評測方法學(xué)
    一個(gè)性能評測實(shí)際解決方案應(yīng)該包括以下三個(gè)方面：
    1）．被評測系統(tǒng)處于壓力負(fù)荷下；
    2）．測量系統(tǒng)執(zhí)行有效特定任務(wù)的能力，執(zhí)行特定任務(wù)的耗時(shí)，執(zhí)行特定任務(wù)的CPU 利用率；   
     3）．基于性價(jià)比因素考慮進(jìn)行改進(jìn)。
    性能測試領(lǐng)域的自頂向下方法(Top-Down
Approach)，是一種把性能測試從系統(tǒng)角度分層次考慮的方法。從上到下分成系統(tǒng)層(System Level)、應(yīng)用層(Application
Level)、微結(jié)構(gòu)層(Micro-Architecture)三層，如圖所示。
   


圖2. 自頂向下性能測試法
    1）．系統(tǒng)層(System Level)：包括處理器、內(nèi)存、硬盤和網(wǎng)絡(luò)等；
    2）．應(yīng)用層(Application Level)：包括鎖、線程、堆和API 等；
    3）．微結(jié)構(gòu)層(Micro-Architecture)：包括數(shù)據(jù)隊(duì)列、循環(huán)結(jié)構(gòu)和cache優(yōu)化。
   
自頂向下方法是從系統(tǒng)硬件層(處理器、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)等)、應(yīng)用層(鎖、線程、堆、API)和微結(jié)構(gòu)層來考慮性能測試標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)層關(guān)注的是系統(tǒng)硬件設(shè)備
資源和外圍設(shè)備；應(yīng)用層關(guān)注的是操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序資源；微結(jié)構(gòu)層關(guān)注的是 CPU 資源、邏輯單元和內(nèi)存訪問等細(xì)節(jié)。
內(nèi)核性能評價(jià)的主要標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)
    1.Linux內(nèi)核性能評價(jià)的主要標(biāo)準(zhǔn)
    從系統(tǒng)性能評價(jià)方法學(xué)的角度來考慮，Linux內(nèi)核性能評價(jià)應(yīng)該遵循以下標(biāo)準(zhǔn)。
    1）．正確性
    運(yùn)行的正確性是首要的，運(yùn)行結(jié)果出錯(cuò)的程序是沒有應(yīng)用價(jià)值的。
    2）．可靠性
    Linux內(nèi)核直接控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件和軟件資源，以方便用戶充分而有效地利用計(jì)算機(jī)資源的程序集合，如果自身都運(yùn)行不可靠，穩(wěn)定性差，將直接導(dǎo)致硬件工作不正常和軟件應(yīng)用的不穩(wěn)定。
    3）．工作性能
    (1) 處理能力，單位時(shí)間內(nèi)能處理的信息量(吞吐率)；
    (2) 響應(yīng)能力，包括響應(yīng)時(shí)間、周轉(zhuǎn)時(shí)間和排隊(duì)時(shí)間等；
    (3) 利用率，時(shí)間段T內(nèi)，資源被使用時(shí)間t 與T的比值。
    正確性是測試的前提，可靠性和工作性能可以通過設(shè)計(jì)相應(yīng)負(fù)載對內(nèi)核進(jìn)行壓力測試。
    2.Linux內(nèi)核性能評價(jià)的參數(shù)
    1）．響應(yīng)速度
    內(nèi)核完成某一任務(wù)(程序)所花費(fèi)的時(shí)間，如磁盤訪問、
存儲(chǔ)
器訪問和輸入/輸出等待。
    2）．CPU時(shí)間
    程序在CPU中的執(zhí)行時(shí)間。
    3）．CPU利用率
    因此只有充分利用 CPU，才能最大程度的提高系統(tǒng)的效率。
    Linux內(nèi)核壓力測試
    Linux內(nèi)核壓力測試使用如下圖示過程。


圖3. Linux內(nèi)核壓力測試過程
   
Linux內(nèi)核壓力測試組合了不同方面的多個(gè)測試，包括內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)載生成器。在執(zhí)行之前，測試會(huì)根據(jù)系統(tǒng)中存在多少物理和虛擬內(nèi)存來調(diào)整其總的內(nèi)存
使用情況。評價(jià)系統(tǒng)資源利用率所選擇的測試組合必須給系統(tǒng)的資源帶來足夠的壓力，可以從LTP測試套件中獲得測試腳本ltpstress.sh。
    Linux 內(nèi)核主要有如下四個(gè)方面影響系統(tǒng)的響應(yīng)和執(zhí)行時(shí)間： CPU，用于在機(jī)器的CPU（s）上處理數(shù)據(jù)的時(shí)間；Memory，用于自真實(shí)
存儲(chǔ)
器中讀寫數(shù)據(jù)的時(shí)間；I/O，用于自磁盤存儲(chǔ)器讀寫數(shù)據(jù)的時(shí)間；Networking，用于自網(wǎng)絡(luò)讀寫數(shù)據(jù)的時(shí)間。測試能得到 CPU（s）、內(nèi)存、I/O 和網(wǎng)絡(luò)等主要內(nèi)核區(qū)域的資源利用率。
    測試應(yīng)該充分地覆蓋內(nèi)核代碼，以幫助支持生成的穩(wěn)定性聲明�？墒褂孟旅鎯蓚�(gè)開放源代碼 Linux資源監(jiān)控工具來評價(jià)資源利用率水平：Top與sar，包含于大部分 Linux 發(fā)行版本中，可用于當(dāng)前的2.4 和2.6內(nèi)核（目前內(nèi)核為2.6.18）。
    內(nèi)核代碼覆蓋率分析
    獲得足夠的內(nèi)核覆蓋率是系統(tǒng)壓力測試的另一個(gè)職責(zé)。盡管所選的測試組合充分地利用了四種主要資源，它也有可能只是執(zhí)行了內(nèi)核的一小部分，因而應(yīng)該對覆蓋率進(jìn)行分析以確保組合可以成為一個(gè)系統(tǒng)壓力測試。
    當(dāng)前，有兩個(gè)開放源代碼工具可以幫助進(jìn)行Linux
內(nèi)核的代碼覆蓋率分析。Gcov，這個(gè)工具分析內(nèi)核代碼的覆蓋率，并報(bào)告哪些行、函數(shù)和分支被覆蓋以及它們被訪問了多少次。Lcov，這個(gè)工具由一組
Perl 腳本構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)基于 HTML 的輸出，輸出包括覆蓋率百分比、圖表以及概述頁，可以快速瀏覽覆蓋率數(shù)據(jù)。
Linux內(nèi)核可靠性評測
    系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性通常以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和系統(tǒng)的可靠運(yùn)行時(shí)間來度量。
    有兩個(gè)特別的階段：一個(gè)是“初始測試”階段，另一個(gè)是“壓力可靠性運(yùn)轉(zhuǎn)”階段或“壓力測試”階段。初始測試執(zhí)行：
    文件系統(tǒng)壓力測試。
    硬盤 I/O 測試。
    內(nèi)存管理壓力測試。
    IPC 壓力測試。
    調(diào)試器測試。
    命令功能的驗(yàn)證測試。
    系統(tǒng)調(diào)用功能的驗(yàn)證測試。
    通過初始測試是開始測試的必要條件，LTP 測試套件runalltest.sh可用于初始測試。
    壓力測試在使用網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)存管理的同時(shí)，并行地運(yùn)行大范圍的內(nèi)核組件，并在測試系統(tǒng)上生成高壓力負(fù)荷，壓力測試執(zhí)行：
    NFS 壓力測試。
    內(nèi)存管理壓力測試。
    文件系統(tǒng)壓力測試。
    數(shù)學(xué) (浮點(diǎn)) 測試。
    多線程壓力測試。
    硬盤I/O 測試。
    IPC測試。
    系統(tǒng)調(diào)用功能的驗(yàn)證測試。
    網(wǎng)絡(luò)壓力測試。
    壓力測試可以驗(yàn)證產(chǎn)品在系統(tǒng)高使用率時(shí)的健壯性，LTP 測試套件ltpstress.sh可用于壓力測試。
    評估
   
可靠性(reliability)是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，它的概率度量稱為可靠度，是評估的依據(jù)。軟件可靠性
(software
reliability)是軟件系統(tǒng)的固有特性之一，它表明了一個(gè)軟件系統(tǒng)按照用戶的要求和設(shè)計(jì)的目標(biāo)，執(zhí)行其功能的正確程度�？煽康能浖�系統(tǒng)應(yīng)該是正
確、完整、一致和健壯的。
    全文總結(jié)
    本文在充分分析、總結(jié)國內(nèi)外有關(guān)軟硬件性能評測相關(guān)理論和研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合 Linux內(nèi)核自身的特點(diǎn)，針對Linux五大子系統(tǒng)，研究評測內(nèi)核的方法、工具和標(biāo)準(zhǔn)，以達(dá)到評測 Linux內(nèi)核性能的目的。
               
               
               

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