Внутреннее устройство Linux

В большинстве современных систем присутствует несколько процессорных ядер или процессоров, поэтому несколько процессов могут легко работать одновременно. Если ядер два, то среднее значение загрузки 1 означает, что только одно из ядер активно в любой момент времени, а среднее значение 2 говорит о том, что оба ядра работают.

8.8.2. Высокие значения загрузки

Высокое среднее значение загрузки не обязательно свидетельствует о том, что си­стема испытывает сложности. Система, у которой достаточное количество оперативной памяти и ресурсов ввода/вывода, способна легко справиться с несколькими запущенными процессами. Если среднее значение загрузки высоко, но при этом система нормально откликается, не волнуйтесь: множество процессов совместно используют процессор. Процессы вынуждены соперничать друг с другом за процессорное время, в результате им требуется больше времени на выполнение своих вычислений по сравнению с тем случаем, когда им позволено применять процессор постоянно. Еще один случай, при котором можно высокое среднее значение загрузки является нормальным, это веб-сервер, в котором процессы могут запускаться и прекращаться настолько быстро, что функция измерения средней загрузки не может эффективно работать.

Тем не менее, если вы чувствуете, что система «тормозит» и значение средней загрузки велико, вероятно, присутствуют проблемы с производительностью оперативной памяти. Когда в системе мало памяти, ядро может начать быстро подкачивать с диска память для процессов. Когда такое происходит, многие процессы становятся готовы к запуску, но при этом для них может быть недоступна память, и тогда они остаются в состоянии готовности (и вносят вклад в среднее значение загрузки) намного дольше, чем при нормальном режиме работы.

Сейчас мы более подробно рассмотрим оперативную память.

8.9. Память

Один из самых простых способов проверить состояние системной памяти в целом — запустить команду free или посмотреть файл /proc/meminfo, чтобы понять, сколько реальной памяти используется для кэша и буферов. Как мы только что отмечали, проблемы с производительностью могут быть вызваны недостатком памяти. Если используется немного памяти для кэша/буфера (и вместо этого расходуется реальная память), вам может понадобиться дополнительная память. Однако было бы чересчур просто полагать, что проблемы с производительностью вызваны лишь недостатком памяти.

8.9.1. Как работает память

В процессоре присутствует модуль управления памятью (MMU), который переводит виртуальные адреса памяти, используемые процессами, в реальные. Ядро помогает модулю MMU, разбивая память на маленькие фрагменты, называемые страницами. Ядро содержит структуру данных, которая называется таблицей страниц и содержит схему соответствия виртуальных адресов страниц реальным адресам страниц в памяти. Когда процесс получает доступ к памяти, модуль MMU переводит виртуальные адреса, используемые процессом, в реальные адреса на основе таблицы страниц ядра.

В действительности пользовательскому процессу для работы не нужны сразу все его страницы. Обычно ядро загружает и распределяет страницы по мере их необходимости для процесса; такая система работы известна как вызов страниц по запросу или листание по запросу. Чтобы понять, как это устроено, рассмотрим запуск и работу команды в качестве нового процесса.

1. Ядро загружает начало кода с инструкциями команды в страницы памяти.

2. Ядро может выделить несколько страниц рабочей памяти для нового процесса.

3. Во время своей работы процесс может дойти до такого момента, когда следу­ющей инструкции не окажется ни в одной из страниц, загруженных ядром изначально. Тогда ядро вступает в действие, загружает необходимые страницы в память и позволяет команде продолжить выполнение.

4. Подобным же образом, если команде необходимо больше рабочей памяти, чем было выделено изначально, ядро решает эту задачу, отыскивая свободные страницы (или освобождая пространство) и назначая их данному процессу.

8.9.2. Ошибки из-за отсутствия страниц

Если страница памяти не готова, когда процессу необходимо ее использовать, процесс вызывает ошибку из-за отсутствия страницы. При возникновении такого события ядро забирает у процесса управление процессором, чтобы подготовить страницу. Существуют два типа ошибок из-за отсутствия страниц: малые и большие.

Малые ошибки

Малая ошибка из-за отсутствия страницы возникает тогда, когда желаемая страница фактически находится в основной памяти, но модуль MMU не знает, где она. Такое может произойти, когда процесс требует больше памяти или когда модуль MMU не обладает достаточным пространством для хранения всех местоположений страниц для процесса. В таком случае ядро сообщает модулю MMU данные о странице и позволяет процессу продолжить работу. Малые ошибки из-за отсутствия страницы не столь уж существенны, и многие из них возникают во время работы процесса. Если вам не требуется максимальная производительность какой-либо программы, интенсивно обращающейся к памяти, вероятно, не стоит беспокоиться об этих ошибках.

Большие ошибки

Большая ошибка из-за отсутствия страницы возникает тогда, когда желаемая страница памяти не находится в основной памяти и, значит, ядро должно загрузить ее с диска или из какого-либо другого медленного хранилища данных. Большое количество таких ошибок сильно замедлит работу системы, поскольку ядро должно выполнить довольно солидную работу по снабжению процессов страницами, лишая нормальные процессы возможности работать.

Некоторых больших ошибок невозможно избежать: например, когда код загружается с диска при запуске программы в первый раз. Самые серьезные проблемы возникают, когда памяти становится недостаточно и ядро начинает подкачивать страницы из рабочей памяти на диск, чтобы освободить место для новых страниц.

Отслеживание ошибок из-за отсутствия страниц

Можно отследить ошибки страниц для отдельных процессов с помощью команд ps, top и time. Следующая команда показывает простой пример того, как команда time отображает ошибки страниц. Результаты работы команды cal не имеют значения, поэтому мы их отключили, перенаправив в устройство /dev/null.

$ /usr/bin/time cal > /dev/null

0.00user 0.00system 0:00.06elapsed 0%CPU (0avgtext+0avgdata 3328maxresident)k

648inputs+0outputs (2major+254minor)pagefaults 0swaps

Как можно заметить из выделенного жирным шрифтом текста, при работе программы произошли две большие и 254 малые ошибки из-за отсутствия страниц. Большие ошибки возникли, когда ядру потребовалось загрузить команду с диска в первый раз. Если бы вы запустили эту команду повторно, то больших ошибок, вероятно, не было бы, поскольку ядро выполнило кэширование страниц с диска.

Если вы хотите увидеть ошибки для работающих процессов, воспользуйтесь командой top или ps. При запуске команды top используйте флаг f, чтобы изменить отображаемые поля, и флаг u, чтобы отобразить количество больших ошибок. Результаты будут показаны в новом столбце, nFLT. Количество малых ошибок вы не увидите.

При использовании команды ps можно применить специальный формат вывода, чтобы увидеть ошибки для конкретного процесса. Вот пример для процесса с идентификатором ID 20365:

$ ps -o pid,min_flt,maj_flt 20365

PID MINFL MAJFL

20365 834182 23

Столбцы MINFL и MAJFL показывают число малых и больших ошибок из-за отсутствия страниц. Конечно, можно сочетать все это с любыми другими параметрами выбора процессов, как рассказано на странице руководства ps(1).