Unix 系統程式設計實作：my_copy 檔案複製效能測試與 vmstat 監控分析

課堂實作需求：編寫 my_copy 程式複製大型文字檔（>10MB），測試不同緩衝區大小對複製效能的影響，並同步收集 vmstat 1 輸出分析系統行為。

程式規格

• 呼叫格式：my_copy src_file dst_file bufsize
• bufsize 測試值：1, 32, 64, 128, 256, 512, 1024 (Bytes)
• 同步執行 vmstat 1 >> log.txt 記錄系統指標
• 僅限 Unix/Linux 環境（使用 open/read/write/close 系統呼叫）

C 程式碼核心邏輯

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

void tv_sub(struct timeval *end, struct timeval *begin) {
    if ((end->tv_usec -= begin->tv_usec) < 0) {
        --end->tv_sec;
        end->tv_usec += 1000000;
    }
    end->tv_sec -= begin->tv_sec;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    struct timeval begin, end;
    gettimeofday(&begin, NULL);

    if (argc != 4) {
        fprintf(stderr, "usage: %s src_file dst_file bufsize\n", argv[0]);
        return 1;
    }

    const int BUFSIZE = atoi(argv[3]);
    char buf[BUFSIZE];  // VLA，C99 支援

    int f_read = open(argv[1], O_RDONLY);
    int f_write = open(argv[2], O_WRONLY | O_CREAT, 0644);

    ssize_t num;
    while ((num = read(f_read, buf, BUFSIZE)) > 0) {
        if (write(f_write, buf, num) != num) {
            perror("write error");
            break;
        }
    }

    gettimeofday(&end, NULL);
    tv_sub(&end, &begin);
    printf("BUFSIZE=%d\ttime cost: %ld.%06ld sec\n", BUFSIZE, end.tv_sec, end.tv_usec);

    close(f_read);
    close(f_write);
    return 0;
}

Makefile

OBJ = main.o
my_copy: $(OBJ)
	cc -o $@ $(OBJ)
main.o: main.c
	cc -c main.c
clean:
	rm -f my_copy $(OBJ)

測試腳本

#!/bin/sh
echo "begin vmstat 1..."
vmstat 1 >> log.txt &
VM_PID=$!

echo "begin copy test..."
for buf in 1 32 64 128 256 512 1024; do
    ./my_copy bigfile.txt bigfile.copy $buf
done

kill $VM_PID
echo "test done, check log.txt"

效能分析方向

1. 系統呼叫開銷：bufsize=1 觸發海量 read/write 系統呼叫，CPU 佔用高（vmstat 的 sy 欄位飆升）。
2. I/O 合併與頁面快取：隨 bufsize 增加，單次傳輸量變大，磁碟 I/O 請求合併（bi/bo 下降），頁面快取命中率提升。
3. 最佳緩衝區：通常 4KB-64KB（頁面大小整數倍）效能最優；過大（>1MB）反而增加記憶體壓力與延遲。
4. vmstat 關鍵欄位：r (可執行隊列)、b (阻塞隊列)、sy (系統呼叫/秒)、bi/bo (塊裝置讀寫/秒)、wa (I/O 等待 CPU 百分比)。

預期結果趨勢

BUFSIZE=1     time cost: 12.34 sec  (sys% 極高)
BUFSIZE=32    time cost: 3.21 sec
BUFSIZE=64    time cost: 1.87 sec
BUFSIZE=128   time cost: 1.12 sec
BUFSIZE=256   time cost: 0.68 sec
BUFSIZE=512   time cost: 0.45 sec
BUFSIZE=1024  time cost: 0.38 sec  (邊際收益遞減)