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來(lái)自：恒生研究院，作者：董西孝

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

出于對(duì)Linux操作系統(tǒng)的興趣，以及對(duì)底層知識(shí)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(shí)的指標(biāo)，另外文章涵蓋了一個(gè)系統(tǒng)的方方面面。如果沒(méi)有完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)，網(wǎng)絡(luò)知識(shí)和操作系統(tǒng)知識(shí)，文檔中的工具，是不可能完全掌握的，另外對(duì)系統(tǒng)性能分析和優(yōu)化是一個(gè)長(zhǎng)期的系列。

本文檔主要是結(jié)合Linux 大牛，Netflix 高級(jí)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(duì)涉及到的原理和性能測(cè)試的工具展開(kāi)說(shuō)明。

背景知識(shí)：具備背景知識(shí)是分析性能問(wèn)題時(shí)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(huì)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(wú)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(guò)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(lái)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(guò)man來(lái)獲得它的幫助文檔，下問(wèn)簡(jiǎn)單介紹介紹一下常規(guī)的用法：

▲ vmstat--虛擬內(nèi)存統(tǒng)計(jì)

vmstat(VirtualMeomoryStatistics,虛擬內(nèi)存統(tǒng)計(jì)) 是Linux中監(jiān)控內(nèi)存的常用工具,可對(duì)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(dòng)停止為止。
簡(jiǎn)單舉個(gè)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(dòng)以來(lái)的平均值，第二行開(kāi)始顯示現(xiàn)在正在發(fā)生的情況，接下來(lái)的行會(huì)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(yè)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(dòng)：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?。╞i）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(shí)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(wú)濟(jì)于事，大量使用交換分區(qū)（swpd）,頁(yè)面交換（swap）頻繁，讀寫磁盤數(shù)量（io）增多，缺頁(yè)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(shí)間用于等待IO（wa）

▲iostat--用于報(bào)告中央處理器統(tǒng)計(jì)信息

iostat用于報(bào)告中央處理器（CPU）統(tǒng)計(jì)信息和整個(gè)系統(tǒng)、適配器、tty 設(shè)備、磁盤和 CD-ROM 的輸入/輸出統(tǒng)計(jì)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(jì)：

第一行顯示的是自系統(tǒng)啟動(dòng)以來(lái)的平均值，然后顯示增量的平均值，每個(gè)設(shè)備一行。

常見(jiàn)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(qǐng)求，“合并的”意味著操作系統(tǒng)從隊(duì)列中拿出多個(gè)邏輯請(qǐng)求合并為一個(gè)請(qǐng)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(qǐng)求數(shù)。

• rsec/s和wsec/s：每秒讀和寫的扇區(qū)數(shù)。

• avgrq –sz：請(qǐng)求的扇區(qū)數(shù)。

• avgqu –sz：在設(shè)備隊(duì)列中等待的請(qǐng)求數(shù)。

• await：每個(gè)IO請(qǐng)求花費(fèi)的時(shí)間。

• svctm：實(shí)際請(qǐng)求（服務(wù)）時(shí)間。

• %util：至少有一個(gè)活躍請(qǐng)求所占時(shí)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(yè)情況，輸出是彩色的，可讀性較強(qiáng)，相對(duì)于vmstat和iostat的輸入更加詳細(xì)且較為直觀。在使用時(shí)，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(shí)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(gè)進(jìn)程產(chǎn)生的。是一個(gè)用來(lái)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(gè)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(jì)CPU使用信息：pidstat –u interval；統(tǒng)計(jì)內(nèi)存信息：Pidstat –r interval。

▲top

top命令的匯總區(qū)域顯示了五個(gè)方面的系統(tǒng)性能信息：

1.負(fù)載：時(shí)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(jí)，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(jì)CPU時(shí)間，進(jìn)程命令行信息。

▲htop

htop 是Linux系統(tǒng)中的一個(gè)互動(dòng)的進(jìn)程查看器,一個(gè)文本模式的應(yīng)用程序(在控制臺(tái)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(dòng)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(dòng)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(dòng)上，比top更快。

• 殺進(jìn)程時(shí)不需要輸入進(jìn)程號(hào)。

• htop支持鼠標(biāo)操作。

▲mpstat

mpstat 是Multiprocessor Statistics的縮寫，是實(shí)時(shí)系統(tǒng)監(jiān)控工具。其報(bào)告與CPU的一些統(tǒng)計(jì)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(jiàn)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(jì)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(jiàn)用法： 

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

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(gè)接口的MTU,輸入分組數(shù)，輸入錯(cuò)誤，輸出分組數(shù)，輸出錯(cuò)誤，沖突以及當(dāng)前的輸出隊(duì)列的長(zhǎng)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(guò)程中產(chǎn)生的系統(tǒng)調(diào)用及接收到的信號(hào)，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(guò)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(zhǎng)時(shí)間和系統(tǒng)的平均負(fù)載，uptime命令最后輸出的三個(gè)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(gè)列出當(dāng)前系統(tǒng)打開(kāi)文件的工具。通過(guò)lsof工具能夠查看這個(gè)列表對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)及排錯(cuò)，常見(jiàn)的用法：

查看文件系統(tǒng)阻塞  lsof /boot

查看端口號(hào)被哪個(gè)進(jìn)程占用   lsof  -i : 3306

查看用戶打開(kāi)哪些文件   lsof –u username

查看進(jìn)程打開(kāi)哪些文件   lsof –p  4838

查看遠(yuǎn)程已打開(kāi)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(shì)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(kāi)發(fā)者來(lái)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(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行采樣，最簡(jiǎn)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(shí)的上下文。假如一個(gè)程序 90% 的時(shí)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(shí)間足夠長(zhǎng)，那么以上推論就比較可靠。因此，通過(guò) tick 觸發(fā)采樣，我們便可以了解程序中哪些地方最耗時(shí)間，從而重點(diǎn)分析。

【常用的性能測(cè)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(gè)性能測(cè)試的工具，介紹之前先簡(jiǎn)單了解幾個(gè)性能測(cè)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(jì)分析，也可以應(yīng)用于內(nèi)核代碼的性能統(tǒng)計(jì)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(jí)的異步代碼。重要的是這個(gè)外部的數(shù)據(jù)可以在用戶空間管理。這個(gè)k-v格式的map數(shù)據(jù)體是通過(guò)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(kù)少，使用簡(jiǎn)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(gè)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(gè)有用的工具和示例。利用擴(kuò)展的BPF（伯克利數(shù)據(jù)包過(guò)濾器），正式稱為eBPF，一個(gè)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(dòng)態(tài)性能跟蹤工具。允許用戶跟蹤Linux內(nèi)核動(dòng)態(tài)。ktap是設(shè)計(jì)給具有互操作性，允許用戶調(diào)整操作的見(jiàn)解，排除故障和延長(zhǎng)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(shí)別，可以是使用github.com/brendangregg/flamegraph中的開(kāi)發(fā)源代碼的程序生成。

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

最后我們?cè)賮?lái)回顧下這些性能檢測(cè)工具。

一、 Linux observability tools | Linux 性能觀測(cè)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(jí)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(cè)評(píng)工具

是一款性能測(cè)評(píng)工具，對(duì)于不同模塊的性能測(cè)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(cè)工具

sar（System Activity Reporter系統(tǒng)活動(dòng)情況報(bào)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(duì)系統(tǒng)的活動(dòng)進(jìn)行報(bào)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(dòng)及IPC有關(guān)的活動(dòng)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)