嵌入式Linux系统性能提升的关键切入点与优化策略

   系统软件性能低下的问题&＃xff0c;主要与三种因数有关&＃xff1a;CPU、内存、IO。
   如何优化系统的性能&＃xff1f;
   第一步&＃xff0c;找出系统性能的瓶颈。
&＃xff08;1&＃xff09;程序的运算量很大&＃xff0c;CPU过于繁忙&＃xff0c;CPU是瓶颈。
    可以通过top命令观察CPU的利用率情况。
&＃xff08;2&＃xff09;过多或过于频繁的读写文件、内存等I/O操作&＃xff0c;CPU更多的是处于等待&＃xff0c;(存储设备、网络设备、异步IO)等I/O操作是性能瓶颈。
&＃xff08;3&＃xff09;内存不够。物理内存不够时会使用交换内存, 使用交换内存会带来磁盘IO和CPU的开销增加.交换空间是专门用于临时存储内存的一块磁盘空间&＃xff0c;通常在页面调度和交换进程数据时使用.调页算法是将内存中最近不常使用的页面换到磁盘上&＃xff0c;把常使用的页面&＃xff08;活动页面&＃xff09;保留在内存中供进程使用。当程序运行需要的内存大于物理内存时&＃xff0c;linux系统采用了调页机制&＃xff0c;即系统copy一些内存中的页面到磁盘上&＃xff0c;腾出来空间供进程使用。
大多数系统可以忍受偶尔的调页&＃xff0c;但是频繁的调页会使系统性能急剧下降。

  (4) 带宽。如网络带宽、系统总线带宽等

&＃xff08;5&＃xff09;文件系统性能(大文件优化、小文件优化、写优化、读优化、网络文件系统)。

  (6) 多线程性能

   第二步&＃xff0c;着手进行优化

1.堆内存和数据段内存的优化&＃xff1a;

   malloc一般会实现一个内存堆来管理这些内存,malloc分配的内存都会以若干chunk的方式放到内存堆中。每次用户调用malloc动态分配内存的时候&＃xff0c;malloc会先到内存堆里进行查找&＃xff0c;如果内存堆里没有合适的空闲chunk&＃xff0c;再利用brk/malloc系统调用分配一大块内存&＃xff0c;然后把新分配的大块内存放到内存堆中&＃xff0c;并生成一块合适的chunk块返回给用户。
   

当用户用free释放chunk的时候&＃xff0c;可能并不立即使用系统调用释放内存&＃xff0c;而是将释放的chunk作为空闲chunk加入内存堆中&＃xff0c;和其他的空闲chunk合并&＃xff0c;便于下次分配的时候再次使用。
   
   一般说来&＃xff0c;释放的chunk如果标记为mmap申请的&＃xff0c;则使用munmap释放。如果是brk申请的&＃xff0c;进一步判断堆顶之下的空闲chunk是否大于128KB&＃xff0c;如果是&＃xff0c;则使用brk()释放。如果小于128KB&＃xff0c;仍由内存堆维护。这样对brk()的使用就会有个问题&＃xff0c;当brk()释放的内存块在堆顶之下&＃xff0c;且内存块到堆顶之间还有未释放的内存。那么这块内存的释放将不会成功&＃xff0c;从而形成内存空洞。 

glibc管理的内存唯一释放的条件是堆顶存在128k&＃xff08;M_TRIM_THRESHOLD&＃xff09;或以上的空闲区时才会释放.这样就会形成内存空洞。

内存空洞&＃xff1a;当存在内存空洞时&＃xff0c;它会从空洞中分配&＃xff0c;并不会导致内存使用的增加&＃xff1b;

内存泄露&＃xff1a;当libc收到内存分配请求时&＃xff0c;只能占用更多内存。

针对大块内存的申请和释放不会导致内存空洞的形成。

堆内存的优化&＃xff1a;

&＃xff08;1&＃xff09;glibc管理的内存绝大多数情况下不会释放。
     因此编程时如果是小内存分配要尽快使用&＃xff0c;尽快用完&＃xff0c;尽快释放&＃xff08;变成空闲chunk&＃xff09;&＃xff0c;不要停留&＃xff0c;否则一直摞着&＃xff0c;线性地址后面的就形成了空洞。

&＃xff08;2&＃xff09;如果是想内存总在控制中&＃xff0c;可以分配大内存&＃xff0c;自行管理释放和分配。不用的时候可以释放地很干净
&＃xff08;3&＃xff09;不要分配很小的内存比如几个字节&＃xff0c;因为一次malloc至少分配16个字节&＃xff0c;如果每次分配都很小&＃xff0c;就太亏了。
所以尽量减少小块内存的申请&＃xff0c;避免内存浪费。

&＃xff08;4&＃xff09;降低M_MMAP_THRESHOLD&＃xff0c;可以让更多的分配走mmap&＃xff0c;避免brk的种种问题&＃xff0c;特别是64位机器的情况下。
&＃xff08;5&＃xff09;降低M_TRIM_THRESOLD,让堆顶的空闲内存更容易释放。

   以上&＃xff08;4&＃xff09;&＃xff08;5&＃xff09;都不可避免会增加系统调用的机会&＃xff0c;使用中需要慎重。

数据段内存的优化&＃xff1a;

&＃xff08;1&＃xff09;将只读的全局变量&＃xff0c;加上const,从而使其转移到代码段&＃xff1b;

&＃xff08;2&＃xff09;去除不必要的全局变量&＃xff1b;

&＃xff08;3&＃xff09;减少全局变量的尺寸&＃xff1b;

可以通过nm,查找到所有在数据段的符号&＃xff0c;从而想办法修改它。

动态库的使用&＃xff1a;

&＃xff08;1&＃xff09;静态加载&＃xff1a;无法按需动态卸载动态库

&＃xff08;2&＃xff09;dlopen&＃xff1a;可按需卸载动态库&＃xff0c;从而节省了内存&＃xff0c;但程序在启动时&＃xff0c;需要查找定位代码&＃xff0c;从而会降低性能。

代码优化的一些经验&＃xff1a;

&＃xff08;1&＃xff09;运算处理优化&＃xff1a;简化数学表达式、用移位运算代替乘除运算、乘法运算比除运算快、使用增量和减量运算符等&＃xff1b;

&＃xff08;2&＃xff09;算法优化&＃xff1a;根据发生频率对switch语句进行排列、将大的switch语句简化为嵌套switch语句等、用指针取代数组、使用宏函数取代函数。