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來自：恒生研究院，作者：董西孝

鏈接：http://rdc.hundsun.com/portal/article/731.html

出于對Linux操作系統(tǒng)的興趣，以及對底層知識的強(qiáng)烈欲望，因此整理了這篇文章。本文也可以作為檢驗(yàn)基礎(chǔ)知識的指標(biāo)，另外文章涵蓋了一個系統(tǒng)的方方面面。如果沒有完善的計算機(jī)系統(tǒng)知識，網(wǎng)絡(luò)知識和操作系統(tǒng)知識，文檔中的工具，是不可能完全掌握的，另外對系統(tǒng)性能分析和優(yōu)化是一個長期的系列。

本文檔主要是結(jié)合Linux 大牛，Netflix 高級性能架構(gòu)師 Brendan Gregg 更新 Linux 性能調(diào)優(yōu)工具的博文，搜集Linux系統(tǒng)性能優(yōu)化相關(guān)文章整理后的一篇綜合性文章，主要是結(jié)合博文對涉及到的原理和性能測試的工具展開說明。

背景知識：具備背景知識是分析性能問題時需要了解的。比如硬件 cache；再比如操作系統(tǒng)內(nèi)核。應(yīng)用程序的行為細(xì)節(jié)往往是和這些東西互相牽扯的，這些底層的東西會以意想不到的方式影響應(yīng)用程序的性能，比如某些程序無法充分利用 cache，從而導(dǎo)致性能下降。比如不必要地調(diào)用過多的系統(tǒng)調(diào)用，造成頻繁的內(nèi)核 / 用戶切換等。這里只是為本文的后續(xù)內(nèi)容做一些鋪墊，關(guān)于調(diào)優(yōu)還有很多東西，我所不知道的比知道的要多的多，希望大家能共同學(xué)習(xí)進(jìn)步。

【性能分析工具】

首先來看一張圖：

上圖是Brendan Gregg 的一次性能分析的分享，這里面的所有工具都可以通過man來獲得它的幫助文檔，下問簡單介紹介紹一下常規(guī)的用法：

▲ vmstat--虛擬內(nèi)存統(tǒng)計

vmstat(VirtualMeomoryStatistics,虛擬內(nèi)存統(tǒng)計) 是Linux中監(jiān)控內(nèi)存的常用工具,可對操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存、進(jìn)程、CPU等的整體情況進(jìn)行監(jiān)視。

vmstat的常規(guī)用法：vmstat interval times即每隔interval秒采樣一次，共采樣times次，如果省略times,則一直采集數(shù)據(jù)，直到用戶手動停止為止。
簡單舉個例子：

可以使用ctrl+c停止vmstat采集數(shù)據(jù)。

第一行顯示了系統(tǒng)自啟動以來的平均值，第二行開始顯示現(xiàn)在正在發(fā)生的情況，接下來的行會顯示每5秒間隔發(fā)生了什么，每一列的含義在頭部，如下所示：

? procs：r這一列顯示了多少進(jìn)程在等待cpu，b列顯示多少進(jìn)程正在不可中斷的休眠（等待IO）。

? memory：swapd列顯示了多少塊被換出了磁盤（頁面交換），剩下的列顯示了多少塊是空閑的（未被使用），多少塊正在被用作緩沖區(qū)，以及多少正在被用作操作系統(tǒng)的緩存。

? swap：顯示交換活動：每秒有多少塊正在被換入（從磁盤）和換出（到磁盤）。

? io：顯示了多少塊從塊設(shè)備讀取（bi）和寫出（bo）,通常反映了硬盤I/O。

? system：顯示每秒中斷(in)和上下文切換（cs）的數(shù)量。

? cpu：顯示所有的cpu時間花費(fèi)在各類操作的百分比，包括執(zhí)行用戶代碼（非內(nèi)核），執(zhí)行系統(tǒng)代碼（內(nèi)核），空閑以及等待IO。

內(nèi)存不足的表現(xiàn)：free  memory急劇減少，回收buffer和cacher也無濟(jì)于事，大量使用交換分區(qū)（swpd）,頁面交換（swap）頻繁，讀寫磁盤數(shù)量（io）增多，缺頁中斷（in）增多，上下文切換（cs）次數(shù)增多，等待IO的進(jìn)程數(shù)（b）增多，大量CPU時間用于等待IO（wa）

▲iostat--用于報告中央處理器統(tǒng)計信息

iostat用于報告中央處理器（CPU）統(tǒng)計信息和整個系統(tǒng)、適配器、tty 設(shè)備、磁盤和 CD-ROM 的輸入/輸出統(tǒng)計信息，默認(rèn)顯示了與vmstat相同的cpu使用信息，使用以下命令顯示擴(kuò)展的設(shè)備統(tǒng)計：

第一行顯示的是自系統(tǒng)啟動以來的平均值，然后顯示增量的平均值，每個設(shè)備一行。

常見linux的磁盤IO指標(biāo)的縮寫習(xí)慣：rq是request,r是read,w是write,qu是queue，sz是size,a是verage,tm是time,svc是service。

• rrqm/s和wrqm/s：每秒合并的讀和寫請求，“合并的”意味著操作系統(tǒng)從隊列中拿出多個邏輯請求合并為一個請求到實(shí)際磁盤。

• r/s和w/s：每秒發(fā)送到設(shè)備的讀和寫請求數(shù)。

• rsec/s和wsec/s：每秒讀和寫的扇區(qū)數(shù)。

• avgrq –sz：請求的扇區(qū)數(shù)。

• avgqu –sz：在設(shè)備隊列中等待的請求數(shù)。

• await：每個IO請求花費(fèi)的時間。

• svctm：實(shí)際請求（服務(wù)）時間。

• %util：至少有一個活躍請求所占時間的百分比。

▲dstat--系統(tǒng)監(jiān)控工具

dstat顯示了cpu使用情況，磁盤io情況，網(wǎng)絡(luò)發(fā)包情況和換頁情況，輸出是彩色的，可讀性較強(qiáng)，相對于vmstat和iostat的輸入更加詳細(xì)且較為直觀。在使用時，直接輸入命令即可，當(dāng)然也可以使用特定參數(shù)。

如下：dstat –cdlmnpsy

▲iotop--LINUX進(jìn)程實(shí)時監(jiān)控工具

iotop命令是專門顯示硬盤IO的命令，界面風(fēng)格類似top命令，可以顯示IO負(fù)載具體是由哪個進(jìn)程產(chǎn)生的。是一個用來監(jiān)視磁盤I/O使用狀況的top類工具，具有與top相似的UI，其中包括PID、用戶、I/O、進(jìn)程等相關(guān)信息。

可以以非交互的方式使用：iotop –bod interval，查看每個進(jìn)程的I/O，可以使用pidstat，pidstat –d instat。

▲pidstat--監(jiān)控系統(tǒng)資源情況

pidstat主要用于監(jiān)控全部或指定進(jìn)程占用系統(tǒng)資源的情況,如CPU,內(nèi)存、設(shè)備IO、任務(wù)切換、線程等。

使用方法：pidstat –d interval；pidstat還可以用以統(tǒng)計CPU使用信息：pidstat –u interval；統(tǒng)計內(nèi)存信息：Pidstat –r interval。

▲top

top命令的匯總區(qū)域顯示了五個方面的系統(tǒng)性能信息：

1.負(fù)載：時間，登陸用戶數(shù)，系統(tǒng)平均負(fù)載；

2.進(jìn)程：運(yùn)行，睡眠，停止，僵尸；

3.cpu:用戶態(tài)，核心態(tài)，NICE,空閑，等待IO,中斷等；

4.內(nèi)存：總量，已用，空閑（系統(tǒng)角度），緩沖，緩存；

5.交換分區(qū)：總量，已用，空閑

任務(wù)區(qū)域默認(rèn)顯示：進(jìn)程ID,有效用戶，進(jìn)程優(yōu)先級，NICE值，進(jìn)程使用的虛擬內(nèi)存，物理內(nèi)存和共享內(nèi)存，進(jìn)程狀態(tài)，CPU占用率，內(nèi)存占用率，累計CPU時間，進(jìn)程命令行信息。

▲htop

htop 是Linux系統(tǒng)中的一個互動的進(jìn)程查看器,一個文本模式的應(yīng)用程序(在控制臺或者X終端中),需要ncurses。

Htop可讓用戶交互式操作，支持顏色主題，可橫向或縱向滾動瀏覽進(jìn)程列表，并支持鼠標(biāo)操作。

與top相比，htop有以下優(yōu)點(diǎn)：

• 可以橫向或者縱向滾動瀏覽進(jìn)程列表，以便看到所有的進(jìn)程和完整的命令行。

• 在啟動上，比top更快。

• 殺進(jìn)程時不需要輸入進(jìn)程號。

• htop支持鼠標(biāo)操作。

▲mpstat

mpstat 是Multiprocessor Statistics的縮寫，是實(shí)時系統(tǒng)監(jiān)控工具。其報告與CPU的一些統(tǒng)計信息，這些信息存放在/proc/stat文件中。在多CPUs系統(tǒng)里，其不但能查看所有CPU的平均狀況信息，而且能夠查看特定CPU的信息。常見用法：mpstat –P ALL interval times。

▲netstat

Netstat用于顯示與IP、TCP、UDP和ICMP協(xié)議相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，一般用于檢驗(yàn)本機(jī)各端口的網(wǎng)絡(luò)連接情況。

▲常見用法： 

netstat –npl   可以查看你要打開的端口是否已經(jīng)打開。

netstat –rn    打印路由表信息。

netstat –in    提供系統(tǒng)上的接口信息，打印每個接口的MTU,輸入分組數(shù)，輸入錯誤，輸出分組數(shù)，輸出錯誤，沖突以及當(dāng)前的輸出隊列的長度。

▲ps--顯示當(dāng)前進(jìn)程的狀態(tài)  

ps參數(shù)太多，具體使用方法可以參考man ps，常用的方法：ps  aux  #hsserver；ps –ef |grep #hundsun

• 殺掉某一程序的方法：ps  aux | grep mysqld | grep –v grep | awk ‘{print $2 }’ xargs kill -9

• 殺掉僵尸進(jìn)程：ps –eal | awk ‘{if ($2 == “Z”){print $4}}’ | xargs kill -9

▲strace

跟蹤程序執(zhí)行過程中產(chǎn)生的系統(tǒng)調(diào)用及接收到的信號，幫助分析程序或命令執(zhí)行中遇到的異常情況。

舉例：查看mysqld在linux上加載哪種配置文件，可以通過運(yùn)行下面的命令：strace –e stat64 mysqld –print –defaults > /dev/null

▲uptime

能夠打印系統(tǒng)總共運(yùn)行了多長時間和系統(tǒng)的平均負(fù)載，uptime命令最后輸出的三個數(shù)字的含義分別是1分鐘，5分鐘，15分鐘內(nèi)系統(tǒng)的平均負(fù)荷。

▲lsof

lsof(list open files)是一個列出當(dāng)前系統(tǒng)打開文件的工具。通過lsof工具能夠查看這個列表對系統(tǒng)檢測及排錯，常見的用法：

查看文件系統(tǒng)阻塞  lsof /boot

查看端口號被哪個進(jìn)程占用   lsof  -i : 3306

查看用戶打開哪些文件   lsof –u username

查看進(jìn)程打開哪些文件   lsof –p  4838

查看遠(yuǎn)程已打開的網(wǎng)絡(luò)鏈接  lsof –i @192.168.34.128

▲perf

perf是Linux kernel自帶的系統(tǒng)性能優(yōu)化工具。優(yōu)勢在于與Linux Kernel的緊密結(jié)合，它可以最先應(yīng)用到加入Kernel的new feature，用于查看熱點(diǎn)函數(shù)，查看cashe miss的比率，從而幫助開發(fā)者來優(yōu)化程序性能。

性能調(diào)優(yōu)工具如 perf，Oprofile 等的基本原理都是對被監(jiān)測對象進(jìn)行采樣，最簡單的情形是根據(jù) tick 中斷進(jìn)行采樣，即在 tick 中斷內(nèi)觸發(fā)采樣點(diǎn)，在采樣點(diǎn)里判斷程序當(dāng)時的上下文。假如一個程序 90% 的時間都花費(fèi)在函數(shù) foo() 上，那么 90% 的采樣點(diǎn)都應(yīng)該落在函數(shù) foo() 的上下文中。運(yùn)氣不可捉摸，但我想只要采樣頻率足夠高，采樣時間足夠長，那么以上推論就比較可靠。因此，通過 tick 觸發(fā)采樣，我們便可以了解程序中哪些地方最耗時間，從而重點(diǎn)分析。

【常用的性能測試工具】

熟練并精通了第二部分的性能分析命令工具，引入幾個性能測試的工具，介紹之前先簡單了解幾個性能測試工具：

• perf_events: 一款隨 Linux 內(nèi)核代碼一同發(fā)布和維護(hù)的性能診斷工具，由內(nèi)核社區(qū)維護(hù)和發(fā)展。Perf 不僅可以用于應(yīng)用程序的性能統(tǒng)計分析，也可以應(yīng)用于內(nèi)核代碼的性能統(tǒng)計和分析。

更多參考：http://blog.sina.com.cn/s/blog_98822316010122ex.html。

• eBPF tools: 一款使用bcc進(jìn)行的性能追蹤的工具,eBPF map可以使用定制的eBPF程序被廣泛應(yīng)用于內(nèi)核調(diào)優(yōu)方面，也可以讀取用戶級的異步代碼。重要的是這個外部的數(shù)據(jù)可以在用戶空間管理。這個k-v格式的map數(shù)據(jù)體是通過在用戶空間調(diào)用bpf系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建、添加、刪除等操作管理的。more: http://blog.csdn.net/ljy1988123/article/details/50444693。

• perf-tools: 一款基于 perf_events (perf) 和 ftrace 的Linux性能分析調(diào)優(yōu)工具集。Perf-Tools 依賴庫少，使用簡單。支持Linux 3.2 及以上內(nèi)核版本。more: https://github.com/brendangregg/perf-tools。

• bcc(BPF Compiler Collection): 一款使用eBPF的perf性能分析工具。一個用于創(chuàng)建高效的內(nèi)核跟蹤和操作程序的工具包，包括幾個有用的工具和示例。利用擴(kuò)展的BPF（伯克利數(shù)據(jù)包過濾器），正式稱為eBPF，一個新的功能，首先被添加到Linux 3.15。多用途需要Linux 4.1以上BCC。

• 更多參考：https://github.com/iovisor/bcc#tools。

• ktap: 一種新型的linux腳本動態(tài)性能跟蹤工具。允許用戶跟蹤Linux內(nèi)核動態(tài)。ktap是設(shè)計給具有互操作性，允許用戶調(diào)整操作的見解，排除故障和延長內(nèi)核和應(yīng)用程序。它類似于Linux和Solaris DTrace SystemTap。更多參考：https://github.com/ktap/ktap。

• Flame Graphs:是一款使用perf,system tap,ktap可視化的圖形軟件，允許最頻繁的代碼路徑快速準(zhǔn)確地識別，可以是使用github.com/brendangregg/flamegraph中的開發(fā)源代碼的程序生成。

  更多參考：http://www.brendangregg.com/flamegraphs.html。

最后我們再來回顧下這些性能檢測工具。

一、 Linux observability tools | Linux 性能觀測工具

• 首先學(xué)習(xí)的Basic Tool有如下：
  uptime、top(htop)、mpstat、isstat、vmstat、free、ping、nicstat、dstat。

  
  

• 高級的命令如下：
  sar、netstat、pidstat、strace、tcpdump、blktrace、iotop、slabtop、sysctl、/proc。

  更多參考：http://www.open-open.com/lib/view/open1434589043973.html，詳細(xì)的命令使用方法可以參考man

二、Linux benchmarking tools | Linux 性能測評工具

是一款性能測評工具，對于不同模塊的性能測試可以使用相應(yīng)的工具，想要深入了解，可以參考最下文的附件文檔。

三、Linux tuning tools | Linux 性能調(diào)優(yōu)工具

是一款性能調(diào)優(yōu)工具，主要是從linux內(nèi)核源碼層進(jìn)行的調(diào)優(yōu)，想要深入了解，可以參考下文附件文檔。

四、Linux observability sar | linux性能觀測工具

sar（System Activity Reporter系統(tǒng)活動情況報告）是目前LINUX上最為全面的系統(tǒng)性能分析工具之一，可以從多方面對系統(tǒng)的活動進(jìn)行報告，包括：文件的讀寫情況、系統(tǒng)調(diào)用的使用情況、磁盤I/O、CPU效率、內(nèi)存使用狀況、進(jìn)程活動及IPC有關(guān)的活動等方面。

sar的常歸使用方式：sar  [options] [-A] [-o file]  t [n]
其中：
t為采樣間隔，n為采樣次數(shù)，默認(rèn)值是1；
-o file表示將命令結(jié)果以二進(jìn)制格式存放在文件中，file 是文件名。
options 為命令行選項(xiàng)