如何估算 Linux 系统调用的时间开销？

我们是否曾经想过，当我们执行一项任务或编写程序时，我们的设备是如何工作的？实际上，操作系统在过去承担着多项职责，例如方便访问任何应用程序。其中一个关键就是系统调用。系统调用充当了我们与正在运行的系统的内核通信以请求服务的中间人。在讨论 Linux 系统的性能时，系统调用的效率很重要。系统调用是应用程序请求内核服务的机制。与这些调用相关的时间开销对软件包的整体性能产生了显著影响。

系统调用中的内核开销是什么？

系统调用中的内核开销是指操作系统内核在处理来自用户软件包的系统调用时所花费的额外时间和计算资源。这种开销会影响系统调用过程中发生的一些日常活动。以下是一些例子：

从用户模式切换到内核模式，反之亦然。用户应用程序通常在用户模式下运行，对设备资源的访问受到限制。当发出系统调用时，CPU 会进入内核模式以执行所请求的服务，并在完成后返回到用户模式。这种上下文切换需要保存和恢复 CPU 的顶级状态。确保系统调用是活动的，并且请求过程具有执行所请求操作的正确权限。这包括检查用户凭据、验证参数以及确保内存访问在允许的范围内。

在用户和内核区域之间写入数据需要在用户和内核区域之间移动数据。由于应用程序功能无法直接访问内核内存，因此必须复制数据，这会增加处理时间。诸如内存、文件描述符和网络套接字等的分配和移除也至关重要。

查看所有进程及其 PID。

命令

查看所有进程及其 PID 的详细信息。

命令

按名称查找特定进程的 PID。

命令

示例

命令

上面的命令会将 strace 附加到具有特定 PID 的正在运行的进程，并提供系统信息的概述，包括系统调用使用情况以及在进程终止或中断后花费的时间。

如果上述命令抛出错误，则表示未附加 root 权限。要添加它，请运行此命令：

命令

示例

除此之外，还有另一种方法，它利用现代 CPU 中可用的性能计数器。一个名为 **perf** 的工具可以测量各种事件，包括在系统调用中花费的 CPU 周期。

命令

上面已用于监视指定进程在内核模式下花费的 CPU 周期。如果上面的命令显示错误，则表示未添加 root 权限。要添加，请执行以下命令：

命令

在这里，将 PID 替换为实际的进程 ID 号。

示例

系统调用开销如何发挥重要作用？

每当程序发出系统调用时，执行该调用可能需要一定的时间和资源。此过程称为系统调用开销，它取决于系统调用的类型和机器的硬件配置。对预期系统调用时间开销的基本理解至关重要，因为它会影响程序的整体性能和整个系统。

性能

系统调用充当用户空间应用程序和内核空间函数之间的桥梁。每个系统调用都需要从用户模式切换到内核模式，这在时间和资源方面成本相当高。系统调用上的高开销会增加延迟，这意味着频繁的系统调用会增加可观的延迟，从而减慢高度依赖内核服务的应用程序。这会导致吞吐量下降，因此，随着时间的推移，应用程序的系统调用开销会增加。它可以减少作业的数量，影响工作流程。

妥善利用资源

系统调用开销会影响 CPU 和内存等系统资源的利用效率。过多的开销会导致 CPU 利用率低下，即花费在处理更改上的时间比用于实现更改的时间多。每个系统调用可能涉及银行和状态恢复，这可能至关重要，尤其是在多线程或多系统环境中。

安全性和稳定性

系统调用也是访问硬件和设备资源的头等接口，使其成为强制执行安全性和平衡的重要向量。通过系统调用确保安全可维护的控件和价值折扣有助于在运营和保护测试之间取得平衡。系统调用中的有效故障管理对于系统稳定性和效率至关重要。

虚拟化

系统调用开销是虚拟化环境和容器化应用程序中的一个重要方面。此方面可以创建额外的层来定义和执行系统调用，并导致开销增加。此外，容器可以改进隔离和资源使用，以减少系统调用开销并提高微服务和分布式应用程序的整体性能。

影响系统调用开销的因素

有几个因素会影响 Linux 系统调用的时间开销。下面列出了一些常见原因：

• 系统负载：整体系统负载，包括 CPU 利用率和 I/O 活动，会影响系统调用的响应时间。当系统负载很重时，由于资源问题，系统调用可能需要比平时更长的时间。
• 内核配置：某些内核配置和优化会影响系统调用的效率。调整内核参数或启用特定功能会影响系统调用的执行速度。
• 硬件架构：底层硬件架构在系统调用性能中起着重要作用。CPU 类型、内存层次结构和输入/输出设备等因素会影响执行系统调用所需的时间。

系统调用时间开销上的 CPU 利用率

CPU 利用率在系统调用开销中非常糟糕。当 CPU 负载很重时，系统调用也可能需要很长时间来执行任何任务或操作。在这一点上，内核需要协调竞争任务或程序之间的系统调用执行。大量的 CPU 使用可能会增加 CPU 资源的等待时间，从而导致更长的系统调用延迟。

高 CPU 利用率会严重影响需要大量计算资源的系统调用。假设您将其用作优化代码的技术。在这种情况下，您可以通过在多个核心上缓解这些结果或跨位置线程扩展计算服务来减少不必要的系统调用。

如何衡量系统调用开销？

衡量系统调用开销是指进程从用户模式切换到内核模式以及从内核模式切换回用户模式所需的时间。以下是一些衡量系统调用开销的常用方法：

1. 直接计时

此方法直接测量特定系统调用所需的时间。您可以使用 **time** 或 **gettimeofday** 等工具在系统调用周围写入开始和结束时间戳。

这是测量开销的公式：

2. 微基准测试

微基准测试侧重于特定的系统调用，例如 read()、write() 和 fork()，并连续调用它们以计算平均开销。例如，如果您编写了一个执行多次系统调用的 C 小程序，并测量了这些系统调用的使用时间。

3. 上下文切换开销

上下文和引用切换允许您在用户和内核模式之间切换。通过创建多个线程或进程，您可以测量上下文切换开销，即执行上下文切换所需的时间。

4. 系统调用跟踪

要查找系统调用，您可以轻松使用 strace、dtrace 和 eBPF 等工具。这些工具提供有关调度调用的详细信息，包括时间戳。

减少系统调用开销的方法？

最小化系统调用开销对于提高 Linux 程序性能至关重要。让我们探讨一些实现此目的的技术：

1. 减少系统调用

执行多项操作以减少系统调用次数。与其使用 read() 和 write() 函数，不如使用内存映射文件或其他需要更少系统调用的方法。通过使用缓冲 I/O 来优化 I/O 处理，以减少读写操作的数量。

2. 检查系统调用使用情况

利用性能分析工具来识别与系统调用相关的问题。检查程序的潜在问题并找出修复它们的机会。尝试减少系统调用的频率并使用用户空间函数。

3. 避免不必要的上下文切换

上下文切换会产生开销并影响系统调用性能。要衡量上下文切换的成本，请使用以下命令：

命令

上面的命令计算指定进程的上下文切换次数。

4. 系统调用聚类

系统调用聚类是一种由配置文件定义的容量技术。它识别可由单个调用替换的重叠系统调用组，从而减少了内核边界穿越的数量。编译器更改会增加优化组的数量和大小。

5. 避免简单“Getter”系统调用的开销

有几个选项可以直接用于系统调用，例如 **getpid()** 和 **gettimeofday()**。Linux 中使用的一种技术是将系统调用的已知结果存储在名为 **syscall** 的内存中。

结论

使用 'strace' 和 'perf' 等性能分析工具、编写微基准测试，可以轻松估算 Linux 系统调用的时间开销。您还可以利用 'ftrace' 和 'bpftrace' 等内核跟踪工具。这些方法有助于我们衡量系统调用的执行时间和频率。通过分析收集到的数据，开发人员可以轻松识别和最小化系统调用开销，并可以优化应用程序的计算能力，确保 Linux 环境中更好的资源利用。

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