1. Принципы анализа производительности

Производительность вычислительных систем общего назначения оценивается в зависимости от области применения номинальной, комплексной, системной производительностью и производительностью на рабочей нагрузке.

Номинальная производительность характеризует только быстродействие, или производительность устройств, входящих в состав системы.

Комплексная производительность учитывает не только быстродействие устройств, но и структуру системы – ее влияние на быстродействие совместно функционирующих устройств.

Системная производительность учитывает как вышеназванные факторы – быстро действие устройств и структуру связей между ними, так и влияние операционной системы.

Производительность на рабочей нагрузке (кратко – производительность) отображает все факторы, влияющие на системную производительность, и, кроме того, свойства рабочей нагрузки – задач, решаемых вычислительной системой. С производительностью тесно связана такая характеристика качества обслуживания пользователей, как время ответа, т. е. время пребывания задач в системе. Поэтому при оценке производительности определяется не только количество работы, выполняемое системой в единицу времени, но и время ответа для всего множества задач и отдельных классов задач.

Производительность вычислительной системы проявляется, с одной стороны, в скорости обработки задач, а с другой – в степени использования ресурсов системы. Чем больше загружены ресурсы, тем выше производительность системы, и недогрузка ресурсов свидетельствует о наличии резервов для повышения производительности. Поэтому при анализе производительности системы оцениваются не только показатели производительности, но и показатели, характеризующие использование ресурсов.

Производительность вычислительной системы связана с продолжительностью процессов обработки задач, которая зависит от трех факторов: 1) рабочей нагрузки; 2) конфигурации системы; 3) режима обработки задач. Эти три фактора в совокупности определяют порядок развития вычислительных процессов во времени, и первая задача анализа производительности сводится к поиску компактных и информативных форм представления вычислительных процессов. Эти формы создают концептуальную (понятийную) основу для оценки функционирования вычислительных систем в процессе эксплуатации и при исследовании с помощью моделей производительности. Вторая задача анализа – создание моделей, позволяющих прогнозировать производительность систем для различной конфигурации, режимов обработки и, возможно, разной рабочей нагрузки.

Способы описания процессов функционирования

Применительно к задачам анализа производительности функционирование вычислительной системы рассматривается как совокупность процессов, связанных с использованием ресурсов системы.

К ресурсам относятся устройства , разделяемые между процессами во времени, а также устройства памяти (память) , разделяемые во времени и по емкости.

Процесс характеризуется тройкой параметров: , где t – момент начала процесса; А – атрибуты, устанавливающие имя источника процесса (пользователя, программы и т.п.), и факторы, влияющие на режим обработки (имя класса, приоритет и др.); Т – трасса процесса.

Трасса характеризует порядок использования ресурсов и представляется последовательностью событий , связанных с изменением состояния процесса.

Событие S_k характеризуется моментом его возникновения t_k, именем ресурса, с которым связано событие, и параметрами, определяющими использование ресурса (занятие или освобождение, тип операции, выполняемой устройством, емкость выделяемой памяти и т. д.). В трассе фиксируется весь объем данных, отображающих взаимодействие процесса с ресурсами и позволяющих установить порядок обращения к ресурсам и объем их использования. Трасса представляет процесс наиболее полно. Однако у этой характеристики существенный недостаток – большой объем данных. Так, обычно на одну реализацию вычислительного процесса приходится 10³–10⁶ обращений к периферийным устройствам, что составляет 10³–10⁶ смен состояний процесса или 10⁵–10⁷ байт данных.

Более компактная форма представления процесса – профиль процесса (рис. 1).

Ввод	Ожидание во входной очереди	Ожидание памяти	Ожидание ресурсов	Процессорная обработка	Работа с УВВ1	Работа с УВВ2	Ожидание вывода	Вывод

Рис. 1. Профиль вычислительного процесса

Для построения профиля выделяются фазы процесса: ввод, ожидание во входной очереди, ожидание памяти и т. д. Реализация процесса представляется в виде последовательности фаз, продолжительность пребывания в которых характеризуется значениями  (время использования устройств) и   (время ожидания). Сумма этих значений составляет время пребывания задания в системе. Профиль процесса дает наглядное представление о продолжительности каждой фазы и соотношении длительности фаз. Для повышения информативности профиль снабжается данными о числе обращений к устройствам, а также о емкости используемой памяти, в том числе о минимальной, средней и максимальной требуемой емкости. Таким образом, профиль определяет время  использования устройств  и число обращений  к каждому из устройств, а также потребность в памяти.

Профиль процесса отображает свойства программы и одновременно режима обработки. Свойства программы проявляются в объеме использования ресурсов – времени использования устройств и емкости памяти. Режим обработки сказывается на времени ожидания. В однопрограммном режиме состояние ожидания отсутствует. С увеличением уровня мультипрограммирования время ожидания возрастает, особенно для низкоприоритетных процессов. На время ожидания влияет уровень загрузки системы, который возрастает с интенсивностью поступления заданий на обработку и приводит к увеличению времени пребывания заданий в очередях.

Процессы в вычислительных системах можно разделить на два класса: прикладные и системные. Прикладной процесс связан с актом обслуживания пользователя и представляет собой некоторую единицу работы – выполнение задания. Прикладные процессы поддерживаются системными процессами, порождаемым управляющими программами операционной системы. К системным относятся процессы системного ввода – вывода и супервизорные Системные процессы, как и прикладные_; потребляют ресурсы системы – оперативную и внешнюю память, процессорное время, каналы ввода–вывода. Объем использования ресурса зависит от режима обработки (уровень мультипрограммирования число инициированных процессов системного ввода – вывод и т. д.), а также от параметров заданий (число шагов и описаний наборов данных, число обращений к наборам данных и т. д.). Путем измерений определяется загрузка ресурсов со стороны системных процессов. Потребность системных процессов в ресурса: обычно выражается в виде уравнений регрессии, аргументами которых являются параметры прикладных процессов.