Linux系統(tǒng)下的程序測量的實(shí)現(xiàn)

摘要:對于程序的測量是軟件開發(fā)人員必須要重視的一項內(nèi)容，如何能夠?qū)崿F(xiàn)自己的程序最優(yōu)，是每個程序員都追求的目標(biāo)，該文通過用C語言開發(fā)了一個用于程序測量的工具，在Linux環(huán)境下測出所開發(fā)程序其所占用的CPU時間和內(nèi)存空間。為程序員開發(fā)程序提供了一個用于自檢的工具。

關(guān)鍵詞:Linux;C語言;測量;目標(biāo)程序

中圖分類號:TP316文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2009)35-10108-02

The Implementation of Procedures Measurement Based on Linux System

XU Yan-jun

(Tonghua Normal University of Asset Management Department，Tonghua 134002，China)

Abstract: For the process measurements are software developers must be an element of attention，how can best achieve their program is the goal pursued by every programmer，this paper by using C language has developed a measurement for program tools in Linux environment，measured by the development process of their occupation of CPU time and memory space.Development process for the programmer provides a tool due to self-test.

Key words: Linux; C language; measurement; object program

信息時代的到來，各行各業(yè)對計算機(jī)都有不同程度的依賴。軟件的出現(xiàn)更是在一定程度上提高了許多行業(yè)的工作效率。目前，許多程序員在學(xué)習(xí)時仍然存在著“無錯就好”的態(tài)度，只要代碼沒有錯誤，只要程序能夠運(yùn)行，就算完成了任務(wù)，完全不管程序的運(yùn)行效率，這樣的程序不但漏洞百出，更是占用了龐大的系統(tǒng)資源。這樣的軟件也跟本無法處理大批量的數(shù)據(jù)，更不會得到公司或用戶的認(rèn)可。衡量程序的標(biāo)準(zhǔn)大多是:程序所運(yùn)行的時間，所消耗的內(nèi)存，它的健壯性，結(jié)構(gòu)是否合理等。本文從另一個角度設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一款能夠在Linux操作系統(tǒng)平臺上運(yùn)行c語言實(shí)現(xiàn)的定時測量工具，能夠測出所運(yùn)行程序占用的CPU時間和內(nèi)存情況，可以使程序員隨時了解自己所編寫的程序的資源占用情況，使之不斷的優(yōu)化。

1 程序測量

對于軟件測量，目前還沒有一個被廣泛接受的定義。有人認(rèn)為:關(guān)于測量軟件產(chǎn)生率以便進(jìn)行比較、成本估計和預(yù)報的科學(xué)。

軟件度量包括:軟件復(fù)雜性度量;模塊性度量;可修行度量;可移植性度量;可擴(kuò)充性度量;可靠性獨(dú)度量;可維護(hù)性度量等等。但按照通常的理解，軟件由程序和文檔兩部分組成。那么，軟件復(fù)雜性理應(yīng)比程序復(fù)雜性包括更多的內(nèi)容。但由于文檔的復(fù)雜性涉及太多的非技術(shù)因素，目前進(jìn)行的研究還很少，因而在多數(shù)文獻(xiàn)里，程序復(fù)雜性同軟件復(fù)雜性幾乎是同一個概念。所謂軟件復(fù)雜性通常指軟件開發(fā)工作量與開發(fā)費(fèi)用的多少、周期的長短和軟件內(nèi)部隱藏錯誤的多少的一種抽象表示。對于軟件或者程序復(fù)雜性度量都只把軟件或者程序本身作為度量的對象。就是說，不去考察和度量軟件和程序的執(zhí)行過程，也不去考察和度量軟件和程序的開發(fā)過程。

軟件度量發(fā)都可以分為兩種:微觀級度量和宏觀級度量。微觀級度量也稱代碼度量，因?yàn)樗鼈兪腔诖a的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)上的，微觀級度量法集中于度量系統(tǒng)元素的內(nèi)部機(jī)制;宏觀級度量又稱結(jié)構(gòu)度量，因?yàn)樗鼈兪腔诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計分析的基礎(chǔ)上，宏觀級度量主要度量系統(tǒng)之間的相互關(guān)系。

算法復(fù)雜性分析的研究范圍是分析具體算法的執(zhí)行所需的時間——空間開銷(計算機(jī)資源)和它們隨某些參數(shù)增長的規(guī)律。也就是更側(cè)重于對微觀級的度量。一個程序?qū)崿F(xiàn)了某個算法，怎么樣能夠?qū)崿F(xiàn)一個很難理解、也很難開發(fā)的程序，它所實(shí)現(xiàn)的算法的執(zhí)行占用的空間卻很少或耗費(fèi)的CPU計算時間最短。

本文基于 Linux 系統(tǒng)的可執(zhí)行程序定時測量工具實(shí)現(xiàn)的是通過運(yùn)行被測程序測出其所占用的CPU時間和內(nèi)存。支持延遲測試和并發(fā)測試。通常先由用戶選定程序文件，本工具會自動判斷該文件是否存在并且是否為可執(zhí)行程序文件，如果不是會彈出警告窗口。如果是可執(zhí)行的程序文件就會添加到表格中。在表格中可以設(shè)置需要延遲的時間和是否需要輸入?yún)?shù)。然后用戶就可以點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕進(jìn)行測試了。

2 程序測量的方法及原理

程序的測量主要是對程序性能進(jìn)行衡量。程序性能(program performance)，是指運(yùn)行一個程序所需要的內(nèi)存大小和時間?？梢圆扇煞N方法來確定一個程序的性能:一個是分析的方法，一個是實(shí)驗(yàn)的方法。

長期以來，Linux系統(tǒng)一直使用兩種不同的時間值:

1)日歷時間。該值是自1970年1月1日00:00:00以來國際標(biāo)準(zhǔn)時間(UTC)所經(jīng)過的秒數(shù)累計值，這些時間值可用于記錄文件最近一次的修改時間等。系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)類型time_t用于保存這種時間值。

2)進(jìn)程時間。這也被稱為CPU時間，用以度量進(jìn)程使用的中央處理機(jī)資源。進(jìn)程時間以時鐘滴答計算，歷史上曾經(jīng)取每秒為50、60或100個滴答。

系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)類型clock_t用于保存這種時間值。當(dāng)度量一個進(jìn)程的時間值時，Linux系統(tǒng)使用三個進(jìn)程時間值:

·時鐘時間。

·用戶CPU時間

·系統(tǒng)CPU時間

時鐘時間又稱為墻上時鐘時間，它是進(jìn)程運(yùn)行的時間總量，其值與系統(tǒng)中同時運(yùn)行的進(jìn)程數(shù)有關(guān)。用戶CPU時間是執(zhí)行用戶指令所用的時間。系統(tǒng)CPU時間是為該進(jìn)程執(zhí)行內(nèi)核程序經(jīng)歷的時間。例如，每當(dāng)一個進(jìn)程執(zhí)行一個系統(tǒng)服務(wù)時，例如read或write，則在內(nèi)核內(nèi)執(zhí)行該服務(wù)所花費(fèi)的時間就計入該進(jìn)程的系統(tǒng)CPU時間。用戶CPU時間和系統(tǒng)CPU時間之和常被稱為CPU時間。

內(nèi)存是Linux內(nèi)核所管理的最重要的資源之一。因?yàn)橄到y(tǒng)的物理內(nèi)存總是少于系統(tǒng)所需要的內(nèi)存數(shù)量。虛擬內(nèi)存就是為了克服這個矛盾而采用的策略。系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存通過在各個進(jìn)程之間共享內(nèi)存而使系統(tǒng)看起來有多于實(shí)際內(nèi)存的內(nèi)存容量。Linux支持虛擬內(nèi)存，就是使用磁盤作為RAM的擴(kuò)展，使可用內(nèi)存相應(yīng)地有效擴(kuò)大。核心把當(dāng)前不用的內(nèi)存塊存到硬盤，騰出內(nèi)存給其他目的。當(dāng)原來的內(nèi)容又要使用時，再讀回內(nèi)存。

Linux虛擬內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)需要六種機(jī)制的支持:地址映射機(jī)制、內(nèi)存分配回收機(jī)制、緩存和刷新機(jī)制、請求頁機(jī)制、交換機(jī)制、內(nèi)存共享機(jī)制。

首先內(nèi)存管理程序通過映射機(jī)制把用戶程序的邏輯地址映射到物理地址，在用戶程序運(yùn)行時如果發(fā)現(xiàn)程序中要用的虛地址沒有對應(yīng)的物理內(nèi)存時，就發(fā)出了請求頁要求;如果有空閑的內(nèi)存可供分配，就請求分配內(nèi)存(于是用到了內(nèi)存的分配和回收)，并把正在使用的物理頁記錄在緩存中(使用了緩存機(jī)制)。如果沒有足夠的內(nèi)存可供分配，那么就調(diào)用交換機(jī)制，騰出一部分內(nèi)存。另外在地址映射中要通過TLB(翻譯后援存儲器)來尋找物理頁;交換機(jī)制中也要用到交換緩存，并且把物理頁內(nèi)容交換到交換文件中后也要修改頁表來映射文件地址。

磁盤使用量實(shí)際也就是文件在磁盤中的占用量，也就是通常所說的文件大小。

在Linux開發(fā)中，有很多程序需要在時間和內(nèi)存上做優(yōu)化處理，本文是通過用C語言編寫，在Linux環(huán)境下能夠?qū)δ繕?biāo)程序所運(yùn)行的時間，及目標(biāo)程序所消耗的內(nèi)存兩方面做出測量，能夠方便的對目標(biāo)程序所消耗的資源加以了解，并及時對目標(biāo)程序做出改進(jìn)和優(yōu)化，使目標(biāo)程序更加理想化，完美化。

3 測量工具的用法

該工具是在Linux系統(tǒng)下運(yùn)行，采用Linux的常規(guī)程序運(yùn)行機(jī)制，所以簡單易行，它的用法是:“./測量工具名 + 運(yùn)行模式 ”。本程序的名字為Measurement，運(yùn)行模式可分為三種，分別是:

1)./Measurement -f 目標(biāo)文件名//顯示目標(biāo)程序所消耗的時間(以秒為單位)和內(nèi)存(以字節(jié)為單位)。

2)./Measurement –p -f目標(biāo)文件名//顯示目標(biāo)程序所消耗的時間和內(nèi)存并同時顯示程序的運(yùn)行結(jié)果。

3)./Measurement –t –f 目標(biāo)文件名//指定延遲時間運(yùn)行目標(biāo)程序顯示其所消耗的時間和內(nèi)存。

4)./Measurement –m 文件名集合//同時顯示多個目標(biāo)文件所消耗的時間和內(nèi)存，每個文件名以回車分隔。

4 該工具的執(zhí)行原理及具體實(shí)現(xiàn)

1)從終端輸入“./測量工具名 + 運(yùn)行模式 ”，即上文所述的4種運(yùn)行模式。

2)主函數(shù)main()從終端讀取參數(shù)，如參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)，繼續(xù)執(zhí)行并分析其運(yùn)行模式，否則，退出。

if(argc < 2)

{perror(\"\Error:\\no test file\");

exit(1);

}while((c=getopt(argc，argv，OPTSTR))!=-1)

{switch(c)

{

case 'f':

filename=optarg;

break;

……

case '?':

printf(\"unrecognized option:-%c\\"，optopt);

} }

3)如運(yùn)行模式為了-m 則執(zhí)行read_fname(char *filename)函數(shù)

void read_fname(char *filename)

{ FILE *fid;

if((fid=fopen(filename，\"r\"))==NULL)

……

fclose(fid);}

讀取每個文件名，在這個過程中用調(diào)用char *Trim( char *String )函數(shù)進(jìn)行空格過慮

char *Trim( char *String )

{char*Tail， *Head;

for ( Tail = String + strlen( String ) - 1; Tail >= String; Tail -- )

……

return String;

}

再依次調(diào)用run(char *filename，int noecho)計算每個程序的消耗的時間和內(nèi)存

void run(char *filename，int noecho)

{pid_t pid;

if((pid=fork())<0)

{ perror(\"\Error:\\child fork() error\");

exit(1);}

else if(pid!=0)//父進(jìn)程

{ int wt1;

waitpid(pid，wt1，0);//等待子進(jìn)程1結(jié)束

…… }

else

{…… }

}

如為 –f ，則直接調(diào)用run(char *filename，int noecho)函數(shù)進(jìn)行計算。

4)最后則調(diào)用格式化輸出函數(shù)void display_format(char *filename，struct rusage usage)進(jìn)行格式輸出。

5 結(jié)束語

從以上討論，我們可以看到C語言程序在Linux系統(tǒng)下的的應(yīng)用，這里討論的技術(shù)有些還是探索性的，還不成熟，在實(shí)際的教學(xué)和實(shí)踐中，可能會遇到許多的問題，如隨著目前計算機(jī)多處理器并行計算的日漸普遍，這樣的方式有可能引起極大的錯誤或誤差，所以我們還應(yīng)該對其進(jìn)行進(jìn)一步的研究，將它們應(yīng)用于實(shí)際問題，這樣才能了解它們的實(shí)際應(yīng)用中的有效性及缺陷，對該程序不斷更新。

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