Linux系統(tǒng)響應速度性能改進實例

2024-07-21 02:35:29

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供稿：網友

　　Cameron Laird 提供了一些有用的示例，這些示例對于很有可能在您自己的應用程序開發(fā)中發(fā)生的各種性能問題而言，是很合適的模型。
　　
　　性能突破似乎有兩種不同的實現(xiàn)方式：簡單的和困難的。這并非陳詞濫調；這兩者之間的界限極其清楚。
　　
　　當您聽說了某些簡單的方式時，您拍手嘆道：“噢”、“對極了”或“太棒了”。雖然在許多情況下實現(xiàn)這些方式的第一個應用需要相當聰明的頭腦，但是它們易于理解。
　　
　　另一種方式涉及了仔細的測量、專門的知識和大量的調優(yōu)工作。這些過程通常是令人痛苦的，也是值得的，要視“本地條件”（比如硬件的具體情況）而定。
　　
　　優(yōu)秀的程序員可以用“困難”或“簡單”方式進行工作。由于性能對 linux 程序員而言是非常重要的主題，因此我提供了四個來源于實際（編程）生活中的故事，它們按“困難”和“簡單”方式配成兩對。
　　
　　始終從需求入手
　　
　　死亡和交稅都是不可避免的。對于開發(fā)人員而言，與此差不多同等重要的是仔細考慮需求；這是每種編程都會提到的一個主題。
　　
　　盡管性能的確很重要，但是處理這種需求的最佳方法往往并不是顯而易見的。我經常會碰到一個軟件難題，它大致符合這樣的模式：程序正處于使用之中。它的功能是正確的。但是某個用戶使用了一下，然后報告說它“太慢了”，需要加速。某團隊成員很快添加了“監(jiān)視器”，這降低一點性能，但是使用戶能一直知曉長期運行的計算還需多少時間。于是滿足度就增加了。
　　
　　我在 20 世紀 60 年代末首次注重到這種現(xiàn)象，此后每十年就可以看到一回。我覺得從某種意義上講自從計算開始它就一直在發(fā)生。要害并不在于最終用戶輕易受騙或者可以被光鮮的“裝飾”轉移注重力。相對我們狹隘、專業(yè)的“性能”概念而言，他們只是有更廣泛的目的。在許多情況下，當他們指出計算需要更快一點時，他們真正的意思是他們需要更快更可靠地知道該計算將要進行多久。得知精確的時間信息后，最終用戶可以在計算機延遲期間快樂地安排其它任務。
　　
　　建議參與處理性能的每個人都進行“熱身練習”。首先，閱讀或重讀您最喜歡的有關需求治理方面的參考資料；下面的參考資料一節(jié)提供了幾個有用的起點。
　　
　　其次，在您的工具箱中放置一些“進度監(jiān)視器”、“進度欄”或“秒表”，當您發(fā)現(xiàn)讓用戶等得太久時可以迅速地將其插入應用程序中。這些根本不用付出太多，如下面這兩個示例所示。
　　
　　兩個倒計時示例
　　
　　執(zhí)行一個長時間的計算，同時又要讓用戶知曉其進度，這構成了應用程序設計中一個非常有趣的問題。它是個并發(fā)性或“多任務”的實例。許多開發(fā)人員都相信：作為正確的解決方案，并發(fā)性需要有精巧的機制，非凡需要有復雜的線程代碼。
　　
　　其實不然。下面的參考資料一節(jié)列出了一篇較早的 developerWorks 專欄文章，我在其中概述了并發(fā)性涉及的許多技術。此外，至少自 1988 年以來，基本上已經在所有 UNIX 主機上實現(xiàn)了簡單的并發(fā)編程，在 1988 年這一年 ksh 對其“協(xié)同進程（co-PRocess）”進行了標準化。假如您將下面清單 1 中的 ksh 源代碼保存為 ex1.ksh，然后運行它，您會看到“倒計時”顯示：“十、九、八，等等”，然后看到 ksh 子進程的結果：“All done”。實際運用中，您可能會對長期運行的化學計算或數(shù)據庫檢索使用類似這樣的操作：啟動操作作為子進程，但是讓用戶始終知道操作的進展或完成之前還剩多少時間。更新顯示只用了幾行源代碼。
　　
　　清單 1. 示例倒計時顯示的 ksh 源代碼
　　
　　(echo "This models a long-lasting process"; sleep 10;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　echo "All done") &
　　　　for ((i = 10; i > 0; i--))
　　　　do
　　　　　　printf "%2d seconds before completion .../r" $i
　　　　　　sleep 1
　　　　done
　　
　　　　read -p line;　　　# Discard the title line.
　　　　read -p line
　　　　echo ""
　　　　echo "Output from the sub-process is '$line'."
　　
　　
　　
　　為用戶提供“實時”信息只需要進行適量的編碼；即使基于字符的應用程序也可以做到這一點。假如圖形用戶界面（GUI）更適合您的情況，那也很簡單。許多工具箱都內置了“忙碌”、“等待”或“進度”顯示。假如您還沒有這樣一個工具箱，那么幾行 Tk 或另一個新式的 GUI 工具箱就足以制作有點“類似的”倒計時鐘面或進度欄。下面是一個在幾個頁面試用過的“從頭開始做的”示例：
　　
　　清單 2. 示例倒計時顯示的 Tk 源代碼
　　
　　proc countdown {seconds} {
　　　　　init
　　　　　countdown_kernel $seconds
　　　}
　　　
　　　
　　　proc countdown_kernel seconds {
　　　　　hands $seconds
　　　　　if !$seconds return
　　　　　after 1000 [list countdown_kernel [incr seconds -1]]
　　　}
　　　
　　　
　　　proc draw_hand {angle decorations} {
　　　　　eval .c create line $::size $::size [get_xy $angle] $decorations
　　　}
　　　
　　　
　　　proc end_coordinate difference {
　　　　　set hand_length [eXPr $::size * .9]
　　　　　return [expr $::size + $hand_length * $difference]
　　　}
　　　
　　　
　　　proc get_xy angle {
　　　　　return [list [end_coordinate [expr sin($angle)]]　　　　　　　　　　　　[end_coordinate [expr -cos($angle)]]]
　　　}
　　　
　　　
　　　proc hands seconds {
　　　　　catch {.c delete withtag hands}
　　　
　　　　　set twopi 6.283185
　　　　　set seconds_angle [expr $seconds * $twopi / 60.]
　　　　　draw_hand $seconds_angle "-width 1 -tags hands"
　　　　　set minutes_angle [expr $seconds_angle / 60.]
　　　　　draw_hand $minutes_angle　　　　　　　　　　　　"-width 3 -capstyle projecting -tags hands"
　　　}
　　　
　　　proc init {} {
　　　　　catch {destroy .c}
　　　　　set ::size 30
　　　　　set full_diameter [expr 2 * $::size]
　　　　　pack [canvas .c -width $full_diameter -height $full_diameter]
　　　　　set border 2
　　　　　set diameter [expr 2 * $::size - $border]
　　　　　.c create oval $border $border　　　　　　　　　　　　　$diameter $diameter　　　　　　　　　　　　　-fill white -outline black
　　　}
　　　
　　　
　　　countdown 10
　　
　　
　　
　　這個倒計時顯示了分針和秒針，如圖 1 所示，其信息內容與前面的程序相同。

　　
　　圖 1. 用 Tk 編碼的模擬倒計時時鐘的外觀
　　
　　 Linux系統(tǒng)響應速度性能改進實例

　　請記?。盒畔⒖梢源婀δ?。您的最終用戶對應用程序的內部狀態(tài)越了解，他們對您的要求就越少。只要讓您的程序顯示它們是如何工作的，就可以解決許多明顯的性能問題。
　　
　　排序很難
　　
　　前面介紹的是“簡單的”課程；沒有專門的編程背景知識的“平民百姓”也可以理解前面的段落。但是排序卻屬于“困難”這一類。而且這肯定是困難的：Donald Knuth 的一整卷有關計算的經典系列都致力于研究排序和搜索（請參閱參考資料以獲取對 Knuth 撰寫的 The Art of Computer Programming 的評論的鏈接）。
　　
　　結果證實，由于深層次的原因，排序是許多性能難題的核心所在。性能只是大規(guī)模計算的問題。人類一次只能理解幾個方面，因此對于那些大得要花掉很長時間才能把握的問題，我們采用的方式是用某種方式把它們組織起來或使其結構化。排序是這些方式中最常見的一種；可以對已排序列表進行二元搜索而不進行線性搜索。例如，這使得在紐約市電話號簿中進行的手工查找得到了簡化，將一個百萬級大小的問題簡化成一個一百萬的對數(shù)（也就是，大約為 14）級的問題。
　　
　　那是典型的排序工作；高級算法通常比低級算法快一千倍或更多。值得進行巧妙的排序。
　　
　　但是最聰明的做法就是避免進行整體排序，或者至少將排序僅限于在不受注重的場合進行。這在數(shù)據庫治理系統(tǒng)中很常見；其它好處之一就是，它們答應構造“插入時”索引。需要排序結果時，可以直接從索引中讀取。這一操作的代價就是：創(chuàng)建或插入元素的時間稍微有點長，但是假如應用程序具有典型的工作流的話，用戶覺察不到這一點。
　　
　　Knuth 的參考資料描述了其它許多策略，比如用來在特定的條件下加快排序操作的“Boyer-Moore”或“Rabin-Karp”。統(tǒng)一這些策略的一個公共原則是：解決通用問題比解決比較特定的問題更輕易。數(shù)學家對此很熟悉；假如將代數(shù)中的常見問題考慮成復數(shù)而不是實數(shù)時，那么這些問題就更輕易處理，盡管復數(shù)算法較難。
　　
　　這就是我對“裝飾-排序-去除裝飾（decorate-sort-undecorate，DSU）”的看法。假定您擁有這樣的數(shù)據集：
　　
　　"Jane Jones" -> 15,000
　　"Dan Smith"　->　6,000
　　"Kim Black"　-> 40,000

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