系统性能是⼀个系统提供给⽤户的众多性能指标的混合体。它既包括硬件性能，也包括软件性能。随着计算机技术的不断发展，有关性能的描述也越来越细化，根据不同的应⽤需要产⽣了各种各样的性能指标，如整数运算性能、浮点运算性能、响应时间、⽹络带宽、稳定性、I/O 吞吐量、SPEC-Int、SPEC-Fp、TPC、Gibson mix 等。有了这些性能指标之后，如何来衡量这些性能指标呢？这就涉及了性能计算。同时⽤户对性能需求的多样性和⼴泛性也更进⼀步加快了计算机技术的发展，并由此出现了⼀个新的分⽀：性能设计。性能设计主要包含两⽅⾯的内容：⼀是作为未来计算机技术发展的参考和规划；另⼀个则是对现有系统进⾏性能上的调整以达到最优化。在系统性能指标的不断增多和完善过程中，许多公司和个⼈投⾝于系统性能的挖掘和实践中，并由此产⽣了⼀系列有效的系统性能评价体系。如前⾯提 到 SPEC，已经成为测试 CPU 的最权威的性能测试标准。
本章将就系统性能的 4 个⽅⾯进⾏阐述：
（1）性能指标：描述当前流⾏系统主要涉及的性能指标；
（2）性能计算：描述当前使⽤到的主要性能指标的计算⽅法；
（3）性能设计：描述如何对现有系统进⾏性能上的调整优化，并介绍⼏个已经成熟的设计规则和解决⽅
案；
（4）性能评估：描述如何对当前取得的性能指标进⾏评价和改进。
1 性能指标
在计算机刚刚诞⽣时，所谓的系统仅仅指的是计算机本⾝，随着⽹络的出现和发展，诸如路由器、交换机设备，TCP/IP、SPX/IPX、以太⽹、光纤⽹络等⽹络技术如⾬后春笋般涌现。系统的概念也不再局限于单台计算机，⽽是成为⼀个集各种通信设备于⼀体的集成装置。因此，这⾥所提到的性能指标，既包括软件，也包括硬件。在硬件中，既包括计算机，也包括各种通信交换设备，以及其他⽹络硬件；在软件中，既包括操作系统和各种通信协议，也包括各种参与到通信中的应⽤程序，如数据库系统、Web 服务器等。因此，本节要提到的系统性能指标实际上就是这些软硬件的性能指标的集成。
1 计算机
对计算机评价的主要性能指标如下：
1．时钟频率（主频）
主频是计算机的主要性能指标之⼀，在很⼤程度上决定了计算机的运算速度。CPU 的⼯作节拍是由主
时钟来控制的，主时钟不断产⽣固定频率的时钟脉冲，这个主时钟的频率即是 CPU 的主频。主频越⾼，意味着 CPU 的⼯作节拍就越快，运算速度也就越快。但
从 2000 年 IBM 发布第⼀款双核处理器开始，多核⼼已经成为 CPU 发展的⼀个重要⽅向。原来单以时钟频率来计算性能指标的⽅式已经不合适了，还得看单个 CPU 中的内核数。现在主流的服务器 CPU ⼤都为⼋核或⼗⼆核，未来更可能发展到 32 核，96 核甚⾄更多。
2．⾼速缓存
⾼速缓存可以提⾼ CPU 的运⾏效率。⽬前⼀般采⽤两级⾼速缓存技术，有些使⽤三层。⾼速缓冲存储器均由静态 RAM（Random Access Memory，随机存取存储器）组成，结构较复杂，在 CPU 管芯⾯积不能太⼤的情况下，L1 级⾼速缓存的容量不可能做得太⼤。采⽤回写（WriteBack）结构的⾼速缓存。它对读和写操作均有可提供缓存。⽽采⽤写通（Write-through）结构的⾼速缓存，仅对读操作有效。L2 及 L3 ⾼速缓存容量也会影响 CPU 的性能，原则是越⼤越好。
3．运算速度
运算速度是计算机⼯作能⼒和⽣产效率的主要表征，它取决于给定时间内 CPU 所能处理的数据量和 CPU 的主频。其单位⼀般
⽤ MIPS（百万条指令/秒）和 MFLOPS（百万次浮点运算/秒）。MIPS ⽤于描述计算机的定点运算能⼒；MFLOPS 则⽤来表⽰计算机的浮点运算能⼒。
4．运算精度
即计算机处理信息时能直接处理的⼆进制数据的位数，位数越多，精度就越⾼。参与运算的数据的基本位数通常⽤基本字长来表⽰。
PC（Personal Computer，个⼈计算机）机的字长，已由8088 的准 16 位（运算⽤ 16 位，I/O ⽤ 8 位）发展到现在的 32 位、
64 位。⼤中型计算机⼀般为32 位和 64 位。巨型机⼀般为 64 位。在单⽚机中，⽬前主要使⽤的是 8 位和 16 位字长。
5．内存的存储容量
内存⽤来存储数据和程序，直接与 CPU 进⾏信息交换。内存的容量越⼤，可存储的数据和程序就越多，从⽽减少与磁盘信息交换的次数，使运⾏效率得到提⾼。存储容量⼀般⽤字节（Byte）数来度量。PC 的内存已由 286 机配置的 1MB，发展到现在主流的 1G以上。⽽在服务器领域中，⼀般的都在 2~8G，多的如银⾏系统中省级结算中⼼使⽤的⼤型机，内存⾼达上百 GB。内存容量的加⼤，对于
运⾏⼤型软件⼗分必要，尤其是对于⼤型数据库应⽤。内存数据库的出现更是将内存的使⽤发挥到了极致。
6．存储器的存取周期
内存完成⼀次读（取）或写（存）操作所需的时间称为存储器的存取时间或者访问时间。⽽连续两次读（或写）所需的最短时间称为存储周期。存储周期越短，表⽰从内存存取信息的时间越短，系统的性能也就越好。⽬前内存的存取周期约为⼏到⼏⼗ ns（10-9 秒）。
存储器的 I/O 的速度、主机 I/O 的速度，取决于 I/O 总线的设计。这对于慢速设备（例如键盘、打印机）关系不⼤，但对于⾼速设备则效果⼗分明显。例如对于当前的硬盘，它的外部传输率已可达 100MBps、133MBps 以上。
7．数据处理速率
数据处理速率（Processing Data Rate，PDR）的计算公式是：PDR=L/R。其中： L=0.85G＋0.15H＋0.4J＋0.15K；R=0.85M ＋0.09N＋0.06P
其中：G 是每条定点指令的位数； M 是平均定点加法时间；
H 是每条浮点指令的位数； N 是平均浮点加法时间；
J 是定点操作数的位数； P 是平均浮点乘法时间；
K 是浮点操作数的位数；
另外还规定：G>20 位，H>30 位；从主存取⼀条指令的时间等于取⼀个字的时间；指令和操作数都存放在同⼀个主存，⽆变址或间址操作；允许有先⾏或并⾏取指令功能，此时选⽤平均取指令时间。
PDR 主要⽤来度量 CPU 和主存储器的速度，它没有涉及⾼速缓存和多功能等。因此，PDR 不能度量机器的整体速度。
8．响应时间
某⼀事件从发⽣到结束的这段时间。其含义将根据应⽤的不同⽽变化。响应时间既可以是原⼦的，也可以是由⼏个响应时间复合⽽成的。在计算机技术的发展中，早在 1968年，⽶勒先⽣就已给出 3 个经典的有关响应时间的建议。
0.1 秒：⽤户感觉不到任何延迟。
1.0 秒：⽤户愿意接受的系统⽴即响应的时间极限。即当执⾏⼀项任务的有效反馈时间在 0.1～1 秒之内时，⽤户是愿意接受的。超过
此数据值，则意味着⽤户会感觉到有延迟，但只要不超过 10 秒，⽤户还是可以接受的。
10 秒：⽤户保持注意⼒执⾏本次任务的极限，如果超过此数值时仍然得不到有效的反馈，客户会在等待计算机完成当前操作时转向其
他的任务。
9．RASIS 特性
RASIS 特性是可靠性（Reliability）、可⽤性（Availability）、可维护性（Serviceability）、完整性（Integraity）和安全性（Security）五者的统称。可靠性是指计算机系统在规定的⼯作条件下和规定的⼯作时间内持续正确运⾏的概率。可靠性⼀般是⽤平均⽆故障时间（Mean Time To Failure，MTTF）或平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF）来衡量。
可维护性是指系统发⽣故障后能尽快修复的能⼒，⼀般⽤平均故障修复时间（Mean Time To Repair，MTTR）来表⽰。取决于维护⼈员的技术⽔平和对系统的熟悉程度，同时和系统的可维护性也密切相关。
10．平均故障响应时间
平均故障响应时间（TAT）即从出现故障到该故障得到确认修复前的这段时间。该指标反应的是服务⽔平。平均故障响应时间越短，对⽤户系统的影响越⼩。
11．兼容性
兼容性是指⼀个系统的硬件或软件与另⼀个系统或多种操作系统的硬件或软件的兼容能⼒，是指系统间某些⽅⾯具有的并存性，即两个系统之间存在⼀定程度的通⽤性。兼容是⼀个⼴泛的概念，它包括数据和⽂件的兼容、程序和语⾔级的兼容、系统程序的兼容、设备的兼容以及向上兼容和向后兼容等。
除了上述性能指标之外，还有其他性能指标，例如综合性能指标如吞吐率、利⽤率；定性指标如保密性、可扩充性；功能特性指标如⽂字处理能⼒、联机事务处理能⼒、I/O 总线特性、⽹络特性等。
2 ⽹络
⽹络是⼀个是由多种设备组成的集合体。其性能指标也名⽬繁多。⼀般可以将这些性能指标分为以下⼏类：
（1）设备级性能指标。⽹络设备提供的通信量的特征，是确定⽹络性能的⼀个重要因素。计算机⽹络设备（主要指路由器）的标准性能指标主要包括吞吐量（信道的最⼤吞吐量为“信道容量”）、延迟
、丢包率和转发速度等。
（2）⽹络级性能指标。可达性、⽹络系统的吞吐量、传输速率、信道利⽤率、信道容量、带宽利⽤率、丢包率、平均传输延迟、平均延迟抖动、延迟/吞吐量的关系、延迟抖动/ 吞吐量的关系、丢包率/吞吐量的关系等。
（3）应⽤级性能指标。QOS、⽹络对语⾔应⽤的⽀持程度、⽹络对视频应⽤的⽀持程度、延迟/服务质量的关系、丢包率/服务质量的关系、延迟抖动/服务质量的关系等。
（4）⽤户级性能指标。计算机⽹络是⼀种长周期运⾏的系统。可靠性和可⽤性是长周期运⾏系统⾮常重要的服务性能，是决定系统是否有实际使⽤价值的重要参数。
（5）吞吐量。在没有帧丢失的情况下，设备能够接受的最⼤速率。⽹络吞吐量可以帮助寻⽹络路径中的瓶颈。例如，即使客户端和服务器都被分别连接到各⾃的 100Mbps 以太⽹上，但是如果这两个 100Mbps 以太⽹被 10Mbps 的以太⽹连接起来，那么 10Mbps 的以太⽹就是⽹络的瓶颈。
⽹络吞吐量⾮常依赖于当前的⽹络负载情况。因此，为了得到正确的⽹络吞吐量，最好在不同时间（⼀天中的不同时刻，或者⼀周中不同的天）分别进⾏测试，只有这样才能得到对⽹络吞吐量的全⾯认识。
有些⽹络应⽤程序在开发过程的测试中能够正常运⾏，但是到实际的⽹络环境中却⽆法正常⼯作（由于没有⾜够的⽹络吞吐量）。这是因为测试只是在空闲的⽹络环境中，没有考虑到实际的⽹络环境中还存在着其他的各种⽹络流量。所以，⽹络吞吐量定义为剩余带宽是有实际意义的。
3 操作系统
现代操作系统的基本功能是管理计算机系统的硬件、软件资源，这些管理⼯作分为处理机管理、存储器管理、设备管理、⽂件管理、作业管理和通信事务管理。
操作系统的性能与计算机系统⼯作的优劣有着密切的联系。评价操作系统的性能指标⼀般有：
（1）系统的可靠性。
（2）系统的吞吐量，是指系统在单位时间内所处理的信息量，以每⼩时或每天所处理的各类作业的数量来度量。
（3）系统响应时间，是指⽤户从提交作业到得到计算结果这段时间，⼜称周转时间；
（4）系统资源利⽤率，指系统中各个部件、各种设备的使⽤程度。它⽤在给定时间内，某⼀设备实际使⽤时间所占的⽐例来度量。
（5）可移植性。
4 数据库管理系统
数据库为了保证存储在其中的数据的安全和⼀致，必须有⼀组软件来完成相应的管理任务，这组软件就是 DBMS，DBMS 随系统的不同⽽不同，但是⼀般来说，它应该包括以下⼏⽅⾯的内容：
（1）数据库描述功能。定义数据库的全局逻辑结构，局部逻辑结构和其他各种数据库对象。
（2）数据库管理功能。包括系统配置与管理，数据存取与更新管理，数据完整性管理和数据安全性管理。
（3）数据库的查询和操纵功能。该功能包括数据库检索和修改。
（4）数据库维护功能。包括数据引⼊引出管理，数据库结构维护，数据恢复功能和性能监测。为了提⾼数据库系统的开发效率，现代数据库系统除了 DBMS 之外，还提供了各种⽀持应⽤开发的⼯具。
因此，衡量数据库管理系统的主要性能指标包括数据库本⾝和管理系统两部分。
数据库和数据库管理系统的性能指标包括数据库的⼤⼩、单个数据库⽂件的⼤⼩、数据库中表的数量
、单个表的⼤⼩、表中允许的记录（⾏）数量、单个记录（⾏）的⼤⼩、表上所允许的索引数量、数据库所允许的索引数量、最⼤并发事务处理能⼒、负载均衡能⼒、最⼤连接数。
5 Web服务器
Web 服务器也称为 WWW 服务器，主要功能是提供⽹上信息浏览服务。
在 UNIX 和 Linux 平台下使⽤最⼴泛的 HTTP 服务器是 W3C、NCSA 和 Apache 服务器，⽽ Windows 平台使⽤ IIS 的 Web 服务器。跨平台的 Web 服务器有 IBM WebSphere、 BEA WebLogic、Tomcat 等。在选择使⽤ Web 服务器时，应考虑的本⾝特性因素有性能、安全性、⽇志和统计、虚拟主机、代理服务器、缓冲服务和集成应⽤程序等。
Web 服务器的主要性能指标包括最⼤并发连接数、响应延迟、吞吐量（每秒处理的请求数）、成功请求数、失败请求数、每秒点击次数、每秒成功点击次数、每秒失败点击次数、尝试连接数、⽤户连接数等。
