Джонсон Харт - Системное программирование в среде Windows

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Результаты измерения производительности

В примерах программ представлено широкое разнообразие альтернативных методик решения одних и тех же задач, как это было, например, при рассмотрении копирования файлов или преобразования текстовых файлов из кодировки ASCII в Unicode, и поэтому рассуждения о сравнительных преимуществах этих методик в отношении производительности являются вполне уместными. Однако в процессе создания приложений одних рассуждений подобного рода мало, и требуется точное знание количественных характеристик, позволяющих судить о влиянии того или иного выбора варианта реализации на производительность, а также о том, каковы в этом смысле потенциальные преимущества той или иной версии Windows, конфигурации оборудования или средств Windows, таких как потоки или асинхронный ввод/вывод. Программа timep (программа 6.2) позволяет измерять реальное (истекшее), пользовательское и системное (затраченное функциями ядра) время, необходимое для выполнения программ, и предоставляет удобный способ измерения производительности и определения ее зависимости от выбора методик и принципов программирования.

Тестирование производилось путем выполнения на ряде хост-систем репрезентативного набора приложений из числа приведенных в данной книге примеров программ.

В приведенных ниже таблицах приведены временные характеристики, полученные с использованием программы timep при выполнении тестовых программ на нескольких различных системах. Для этой цели были выбраны следующие функциональные области:

1. Копирование файлов. Показатели производительности определялись для нескольких различных методик, с помощью которых выполнялась эта операция, включая использование библиотеки С и Windows-функции CopyFile. Копирование файлов позволяет сосредоточить внимание на операциях ввода/вывода, не сопровождаемых обработкой данных.

2. Преобразование символов из кодировки ASCII в кодировку Unicode. В этой серии тестов выяснялась зависимость производительности от использования отображения файлов, буферов большого размера, флагов Windows, задающих последовательный режим обработки, и операций асинхронного ввода/вывода. Преобразование символов позволяет сосредоточить внимание на операциях ввода/вывода, сопровождаемых незначительной обработкой данных в процессе их перемещения из одного буфера в другой.

3. Поиск заданных текстовых шаблонов. Эта серия тестов проводилась с использованием программы grep в ее многопроцессорной и многопоточной формах. Тестировалась также простая последовательная обработка файлов, которая по своей производительности на однопроцессорных системах оказалась вполне конкурентоспособной по отношению к двум другим методикам. При поиске образцов увеличивается доля обработки данных в расходовании процессорного времени и уменьшается доля операций вывода.

4. Сортировка файлов. Эта серия тестов демонстрирует, какое влияние на производительность оказывает использование отображения файлов и обработка файлов в памяти, а также переход к многопоточному режиму выполнения. При сортировке основная доля времени, по крайней мере, в случае крупных файлов, приходится не на файловые операции ввода/вывода, а на обработку данных процессором.

5. Многопоточная система "производитель/потребитель". Эта серия тестов позволила исследовать влияние на производительность различных методов синхронизации, используемых для реализации системы с многопоточной очередизацией, что дало возможность оценить сравнительные достоинства и недостатки обсуждавшихся в главах 8-10 моделей, основанных на применении объектов CRITICAL_SECTION, мьютексов и функции SignalObjectAndWait, а также сигнальной и широковещательной моделей переменных условий.

Программы для всех перечисленных приложений компоновались с использованием Microsoft Visual C++ 7.0 и 6.0 в виде окончательных (release), а не отладочных (debug) версий. Выполнение отладочных версий программ привело бы к заметному искажению картины показателей производительности. Специально проведенные тесты с интенсивной загрузкой процессора показали, что в этом случае доля дополнительных накладных расходов может достигать 80%, не говоря уже о том, что размеры отладочных исполняемых модулей превышают размеры модулей окончательных версий в два-три раза.

Показатели производительности измерялись на четырех современных (по состоянию на 2004 год) системах, характеризующихся широким разнообразием конфигураций ЦП, памяти и ОС. Во всех случаях использовалась файловая система NTFS. В некоторых случаях приводятся также данные, полученные на устаревших системах.

1. Лэптоп, процессор Pentium с частотой 1 ГГц, ОС Windows 2000 Professional.

2. Лэптоп, процессор Intel Celeron с частотой 2 ГГц, ОС Windows XP.

3. PC с процессором Pentium, ОС Windows 2000.

4. Четырехпроцессорная система Windows 2000 Server с ОС NT 5.0. В качестве процессоров были использованы четыре процессора Intel Xeon с частотой 1,8 ГГц. Эта система позволила исследовать, насколько увеличиваются показатели производительности в результате применения нескольких высокопроизводительных процессоров.

В примерах, связанных с обработкой файлов, представлены также результаты, полученные на устаревшей NT-системе на основе PC, в которой использовался процессор Pentium III с частотой 500 МГц, что позволило сравнить между собой показатели производительности для файловых систем FAT и NTFS, хотя файловая система FAT уже не так распространена, как прежде. Во всех случаях файловые системы были заполнены не более чем на 50% и характеризовались лишь незначительной фрагментацией.

Во время проведения тестов никакие другие задачи, кроме тестовых программ, на системах не выполнялись. Неплохим показателем относительного быстродействия процессоров могут служить результаты, полученные, в частности, при выполнении таких программ, как программы сортировки, интенсивно использующие процессор.

Каждое приложение выполнялось на хост-системе по пять раз. Перед каждым запуском приложения физическая память очищалась, чтобы исключить повышение показателей производительности за счет файлов и программ, кэшированных в памяти или файлах подкачки. В представленных в последующих разделах таблицах приведены усредненные данные. Время измеряется в секундах.

Каждая таблица сопровождается комментариями. Вполне очевидно, что делать какие-либо обобщенные выводы в отношении производительности довольно рискованно, поскольку на временные характеристики производительности программ оказывают влияние самые разнообразные факторы, включая свойства самих программ. В то же время, такие тесты позволяют выявлять некоторые закономерности и исследовать изменение производительности в зависимости от использования тех или иных файловых и операционных систем или тех или иных методик программирования. Кроме того, необходимо иметь в виду, что в процессе тестирования измеряется время, прошедшее с момента начала выполнения программы до ее завершения, но не учитывается время, необходимое системе для сброса содержимого буферов на диск. Наконец, при проведении тестов никаких попыток воспользоваться специфическими возможностями или параметрами системы, как то использование разделенных на полосы дисков, варьирование размеров блоков данных при обмене с дисками, разбиение дисков на несколько разделов и тому подобное, не предпринималось.

Монитор производительности Windows, доступный через пиктограмму Administrative Tools (Администрирование), находящуюся в панели управления, отображает данные о работе процессора, ядра, пользовательских и других процессов в графическом виде. Это средство предоставляет отличные дополнительные возможности для изучения свойств программ помимо тех, которые обеспечиваются приведенными здесь результатами измерений.

Полученные результаты указывают на варьирование производительности в широких пределах в зависимости от используемых ЦП, файловой системы, дисковой конфигурации, особенностей программы, а также множества других факторов. Все программы, применяемые для проведения необходимых измерений, находятся на Web-сайте книги, что дает вам возможность самостоятельно выполнить эти тесты на своей системе.

Пять различных вариантов реализации программ копирования файлов использовались для копирования файла размером 25,6 Мбайт (400 000 записей размером 64 байта каждая, сгенерированных с помощью программы RandFile из главы 5). В первых двух столбцах табл. В.1 представлены результаты, полученные на лэптопе (LT) устаревшей модели, в котором установлен процессор Pentium с частотой 500 МГц, что позволяет сопоставить между собой показатели производительности в случае файловых систем NTFS и FAT.