性能调优的第一步是性能分析,下面从性能分析着手进行一些介绍,尤其对linux性能分析工具vmstat的用法和实践进行详细介绍。

——————————————————————————————————————————

1.性能分析的目的

1)找出系统性能瓶颈(包括硬件瓶颈和软件瓶颈);

2)提供性能优化的方案(升级硬件?改进系统系统结构?);

3)达到合理的硬件和软件配置;

4)使系统资源使用达到最大的平衡。(一般情况下系统良好运行的时候恰恰各项资源达到了一个平衡体,任何一项资源的过渡使用都会造成平衡体系破坏,从而造成系统负载极高或者响应迟缓。比如CPU过渡使用会造成大量进程等待CPU资源,系统响应变慢,等待会造成进程数增加,进程增加又会造成内存使用增加,内存耗尽又会造成虚拟内存使用,使用虚拟内存又会造成磁盘IO增加和CPU开销增加)

2.影响性能的因素

1)CPU(cpu的速度与性能很大一部分决定了系统整体的性能,是否使用SMP)

2)内存(物理内存不够时会使用交换内存,使用swap会带来磁盘I0和cpu的开销)

3)硬盘(存储系统)

a.Raid技术使用(RAID0, RAID1, RAID5, RAID0+1)

b.小文件读写瓶颈是磁盘的寻址(tps),大文件读写的性能瓶颈是带宽

c.Linux可以利用空闲内存作文件系统访问的cache,因此系统内存越大存储系统的性能也越好

4)网络带宽。

3.性能分析的步骤

1)对资源的使用状况进行长期的监控和数据采集(nagios、cacti)

2)使用常见的性能分析工具(vmstat、top、free、iostat等)

3)经验积累

a.应用程序设计的缺陷和数据库查询的滥用最有可能导致性能问题

b.性能瓶颈可能是因为程序差/内存不足/磁盘瓶颈,但最终表现出的结果就是CPU耗尽,系统负载极高,响应迟缓,甚至暂时失去响应

c.物理内存不够时会使用交换内存,使用swap会带来磁盘I0和cpu的开销

d.可能造成cpu瓶颈的问题:频繁执Perl,php,java程序生成动态web;数据库查询大量的where子句、order by/group by排序……

e.可能造成内存瓶颈问题:高并发用户访问、系统进程多,java内存泄露……

f.可能造成磁盘IO瓶颈问题:生成cache文件,数据库频繁更新,或者查询大表……

4.vmstat详细介绍

vmstat是一个很全面的性能分析工具,可以观察到系统的进程状态、内存使用、虚拟内存使用、磁盘的IO、中断、上下文切换、CPU使用等。对于 Linux 的性能分析,100%理解 vmstat 输出内容的含义,并能灵活应用,那对系统性能分析的能力就算是基本掌握了。

下面是vmstat命令的输出结果:

[root@monitor-www ~]# vmstat 1 5

procs         —————memory—————      ——swap—— ——io——  ——system——   ——cpu——

r   b    swpd     free       buff      cache   si    so    bi     bo      in    cs    us sy  id wa st

1   0    84780    909744   267428    1912076   0     0     20     94       0     0     2  1  95  1  0

1   2    84780    894968   267428    1912216   0     0      0   1396    2301 11337     8  3  89  0  0

1   0    84780    900680   267428    1912340   0     0     76   1428    1854  8082     7  2  90  0  0

1   0    84780    902544   267432    1912548   0     0    116    928    1655  7502     7  2  92  0  0

2   0    84780    900076   267432    1912948   0     0    180    904    1963  8703    10  3  87  0  0

对输出解释如下:

1)procs

a.r列表示运行和等待CPU时间片的进程数,这个值如果长期大于系统CPU个数,就说明CPU资源不足,可以考虑增加CPU;

b.b列表示在等待资源的进程数,比如正在等待I/O或者内存交换等。

2)memory

a.swpd列表示切换到内存交换区的内存数量(以KB为单位)。如果swpd的值不为0或者比较大,而且si、so的值长期为0,那么这种情况一般不用担心,不会影响系统性能;

b.free列表示当前空闲的物理内存数量(以KB为单位);

c.buff列表示buffers cache的内存数量,一般对块设备的读写才需要缓冲;

d.cache列表示page cached的内存数量,一般作文件系统的cached,频繁访问的文件都会被cached。如果cached值较大,就说明cached文件数较多。如果此时IO中的bi比较小,就说明文件系统效率比较好。

3)swap

a.si列表示由磁盘调入内存,也就是内存进入内存交换区的数量;

b.so列表示由内存调入磁盘,也就是内存交换区进入内存的数量

c.一般情况下,si、so的值都为0,如果si、so的值长期不为0,则表示系统内存不足,需要考虑是否增加系统内存。

4)IO

a.bi列表示从块设备读入的数据总量(即读磁盘,单位KB/秒)

b.bo列表示写入到块设备的数据总量(即写磁盘,单位KB/秒)

这里设置的bi+bo参考值为1000,如果超过1000,而且wa值比较大,则表示系统磁盘IO性能瓶颈。

5)system

a.in列表示在某一时间间隔中观察到的每秒设备中断数;

b.cs列表示每秒产生的上下文切换次数。

上面这两个值越大,会看到内核消耗的CPU时间就越多。

6)CPU

a.us列显示了用户进程消耗CPU的时间百分比。us的值比较高时,说明用户进程消耗的CPU时间多,如果长期大于50%,需要考虑优化程序啥的。

b.sy列显示了内核进程消耗CPU的时间百分比。sy的值比较高时,就说明内核消耗的CPU时间多;如果us+sy超过80%,就说明CPU的资源存在不足。

c.id列显示了CPU处在空闲状态的时间百分比;

d.wa列表示IO等待所占的CPU时间百分比。wa值越高,说明IO等待越严重。如果wa值超过20%,说明IO等待严重。

e.st列一般不关注,虚拟机占用的时间百分比。 (Linux 2.6.11)

linux查看CPU性能及工作状态的指令mpstat,vmstat,iostat,sar,top

衡量CPU性能的指标:

1,用户使用CPU的情况;
CPU运行常规用户进程
CPU运行niced process
CPU运行实时进程

2,系统使用CPU情况;
用于I/O管理:中断和驱动
用于内存管理:页面交换
用户进程管理:进程开始和上下文切换

3,WIO:用于进程等待磁盘I/O而使CPU处于空闲状态的比率。

4,CPU的空闲率,除了上面的WIO以外的空闲时间

5,CPU用于上下文交换的比率

6,nice

7,real-time

8,运行进程队列的长度

9,平均负载

Linux中常用的监控CPU整体性能的工具有:

§ mpstat: mpstat 不但能查看所有CPU的平均信息,还能查看指定CPU的信息。

§ vmstat:只能查看所有CPU的平均信息;查看cpu队列信息;

§ iostat: 只能查看所有CPU的平均信息。

§ sar: 与mpstat 一样,不但能查看CPU的平均信息,还能查看指定CPU的信息。

§ top:显示的信息同ps接近,但是top可以了解到CPU消耗,可以根据用户指定的时间来更新显示。

下面一一介绍:

一,vmstat

[root@localhost ~]#vmstat -n 3       (每个3秒刷新一次)
procs-----------memory--------------------swap-- ----io---- --system---- ------cpu--------
r b   swpd   free       buff       cache       si   so    bi    bo   in      cs        us   sy   id  wa
10    144 186164 105252 2386848    0    0     18   166  83     2          48   21  31  0
20    144 189620 105252 2386848    0    0      0   177  1039 1210   34   10  56  0
00    144 214324 105252 2386848    0    0      0    10   1071   670    32   5    63  0
00    144 202212 105252 2386848    0    0      0   189   1035   558    20   3    77  0
20    144 158772 105252 2386848    0    0      0   203  1065 2832    70  14  15  0

红色内容标示CPU相关的参数

PROC(ESSES)
--r:如果在processes中运行的序列(process r)是连续的大于在系统中的CPU的个数表示系统现在运行比较慢,有多数的进程等待CPU.
如果r的输出数大于系统中可用CPU个数的4倍的话,则系统面临着CPU短缺的问题,或者是CPU的速率过低,系统中有多数的进程在等待CPU,造成系统中进程运行过慢.
SYSTEM
--in:每秒产生的中断次数
--cs:每秒产生的上下文切换次数
上面2个值越大,会看到由内核消耗的CPU时间会越大
 
CPU
-us:用户进程消耗的CPU时间百分
us的值比较高时,说明用户进程消耗的CPU时间多,但是如果长期超50%的使用,那么我们就该考虑优化程序算法或者进行加速(比如PHP/PERL)
-sy:内核进程消耗的CPU时间百分比(sy的值高时,说明系统内核消耗的CPU资源多,这并不是良性表现,我们应该检查原因)
-wa:IO等待消耗的CPU时间百分比
wa的值高时,说明IO等待比较严重,这可能由于磁盘大量作随机访问造成,也有可能磁盘出现瓶颈(块操作)。
-id:CPU处于空闲状态时间百分比,如果空闲时间(cpu id)持续为0并且系统时间(cpu sy)是用户时间的两倍(cpu us) 系统则面临着CPU资源的短缺.

解决办法:
当发生以上问题的时候请先调整应用程序对CPU的占用情况.使得应用程序能够更有效的使用CPU.同时可以考虑增加更多的CPU.  关于CPU的使用情况还可以结合mpstat,  ps aux top  prstat –a等等一些相应的命令来综合考虑关于具体的CPU的使用情况,和那些进程在占用大量的CPU时间.一般情况下,应用程序的问题会比较大一些.比如一些SQL语句不合理等等都会造成这样的现象.
 
二,sar
sar [options] [-A] [-o file] t [n]

在命令行中,n 和t 两个参数组合起来定义采样间隔和次数,t为采样间隔,是必须有
的参数,n为采样次数,是可选的,默认值是1,-o file表示将命令结果以二进制格式
存放在文件中,file 在此处不是关键字,是文件名。options 为命令行选项,sar命令
的选项很多,下面只列出常用选项:

-A:所有报告的总和。
-u:CPU利用率
-v:进程、I节点、文件和锁表状态。
-d:硬盘使用报告。
-r:内存和交换空间的使用统计。
-g:串口I/O的情况。
-b:缓冲区使用情况。
-a:文件读写情况。
-c:系统调用情况。
-q:报告队列长度和系统平均负载
-R:进程的活动情况。
-y:终端设备活动情况。
-w:系统交换活动。
-x { pid | SELF | ALL }:报告指定进程ID的统计信息,SELF关键字是sar进程本身的统计,ALL关键字是所有系统进程的统计。

用sar进行CPU利用率的分析
#sar -u 2 10
Linux 2.6.18-53.el5PAE (localhost.localdomain)  03/28/2009
07:40:17 PM       CPU     %user     %nice   %system   %iowait    %steal     %idle
07:40:19 PM       all         12.44      0.00         6.97          1.74         0.00        78.86
07:40:21 PM       all         26.75      0.00        12.50         16.00       0.00        44.75
07:40:23 PM       all         16.96      0.00         7.98          0.00         0.00        75.06
07:40:25 PM       all         22.50      0.00         7.00          3.25         0.00        67.25
07:40:27 PM       all         7.25        0.00         2.75          2.50         0.00        87.50
07:40:29 PM       all         20.05      0.00         8.56          2.93         0.00        68.46
07:40:31 PM       all         13.97      0.00         6.23          3.49         0.00        76.31
07:40:33 PM       all         8.25        0.00         0.75          3.50         0.00        87.50
07:40:35 PM       all         13.25      0.00         5.75          4.00         0.00        77.00
07:40:37 PM       all         10.03      0.00         0.50          2.51         0.00        86.97
Average:             all         15.15      0.00         5.91          3.99         0.00        74.95
 
在显示内容包括:

  %user:CPU处在用户模式下的时间百分比。
        %nice:CPU处在带NICE值的用户模式下的时间百分比。
  %system:CPU处在系统模式下的时间百分比。
  %iowait:CPU等待输入输出完成时间的百分比。
        %steal:管理程序维护另一个虚拟处理器时,虚拟CPU的无意识等待时间百分比。
  %idle:CPU空闲时间百分比。
        在所有的显示中,我们应主要注意%iowait和%idle,%iowait的值过高,表示硬盘存在I/O瓶颈,%idle值高,表示CPU较空闲,如果%idle值高但系统响应慢时,有可能是CPU等待分配内存,此时应加大内存容量。%idle值如果持续低于10,那么系统的CPU处理能力相对较低,表明系统中最需要解决的资源是CPU。
 
用sar进行运行进程队列长度分析:
#sar -q 2 10
Linux 2.6.18-53.el5PAE (localhost.localdomain)  03/28/2009
07:58:14 PM   runq-sz  plist-sz   ldavg-1   ldavg-5  ldavg-15
07:58:16 PM         0         493          0.64        0.56        0.49
07:58:18 PM         1         491          0.64        0.56        0.49
07:58:20 PM         1         488          0.59        0.55        0.49
07:58:22 PM         0         487          0.59        0.55        0.49
07:58:24 PM         0         485          0.59        0.55        0.49
07:58:26 PM         1         483          0.78        0.59        0.50
07:58:28 PM         0         481          0.78        0.59        0.50
07:58:30 PM         1         480          0.72        0.58        0.50
07:58:32 PM         0         477          0.72        0.58        0.50
07:58:34 PM         0         474          0.72        0.58        0.50
Average:               0         484          0.68        0.57        0.49
 
runq-sz 准备运行的进程运行队列。
plist-sz  进程队列里的进程和线程的数量
ldavg-1  前一分钟的系统平均负载(load average)
ldavg-5  前五分钟的系统平均负载(load average)
ldavg-15  前15分钟的系统平均负载(load average)
 
顺便说一下load avarage的含义
load average可以理解为每秒钟CPU等待运行的进程个数.
在Linux系统中,sar -q、uptime、w、top等命令都会有系统平均负载load average的输出,那么什么是系统平均负载呢?
  系统平均负载被定义为在特定时间间隔内运行队列中的平均任务数。如果一个进程满足以下条件则其就会位于运行队列中:
  - 它没有在等待I/O操作的结果
  - 它没有主动进入等待状态(也就是没有调用'wait')
  - 没有被停止(例如:等待终止)
  例如:
# uptime
  20:55:40 up 24 days,  3:06,  1 user,  load average: 8.13, 5.90, 4.94
  命令输出的最后内容表示在过去的1、5、15分钟内运行队列中的平均进程数量。
  一般来说只要每个CPU的当前活动进程数不大于3那么系统的性能就是良好的,如果每个CPU的任务数大于5,那么就表示这台机器的性能有严重问题。对 于上面的例子来说,假设系统有两个CPU,那么其每个CPU的当前任务数为:8.13/2=4.065。这表示该系统的性能是可以接受的。
 
三,iostat
 
#iostat -c 2 10
Linux 2.6.18-53.el5PAE (localhost.localdomain)  03/28/2009
avg-cpu:  %user   %nice %system %iowait  %steal   %idle
                    30.10    0.00          4.89         5.63    0.00   59.38
avg-cpu:  %user   %nice %system %iowait  %steal   %idle
                    8.46       0.00          1.74         0.25    0.00   89.55
avg-cpu:  %user   %nice %system %iowait  %steal   %idle
                    22.06     0.00          11.28       1.25    0.00   65.41
 
四,mpstat
mpstat 是Multiprocessor Statistics的缩写,是实时系统监控工具。其报告与CPU的一些统计信息,这些信息存放在/proc/stat文件中。在多CPUs系统里,其不但能查看所有CPU的平均状况信息,而且能够查看特定CPU的信息。下面只介绍 mpstat与CPU相关的参数,mpstat的语法如下:

mpstat [-P {|ALL}] [internal [count]]

参数的含义如下:

参数 解释

-P {|ALL} 表示监控哪个CPU, cpu在[0,cpu个数-1]中取值

internal 相邻的两次采样的间隔时间

count 采样的次数,count只能和delay一起使用

当没有参数时,mpstat则显示系统启动以后所有信息的平均值。有interval时,第一行的信息自系统启动以来的平均信息。从第二行开始,输出为前一个interval时间段的平均信息。与CPU有关的输出的含义如下:

参数 解释 从/proc/stat获得数据

CPU 处理器ID

user 在internal时间段里,用户态的CPU时间(%) ,不包含 nice值为负 进程 dusr/dtotal*100

nice 在internal时间段里,nice值为负进程的CPU时间(%) dnice/dtotal*100

system 在internal时间段里,核心时间(%) dsystem/dtotal*100

iowait 在internal时间段里,硬盘IO等待时间(%) diowait/dtotal*100

irq 在internal时间段里,软中断时间(%) dirq/dtotal*100

soft 在internal时间段里,软中断时间(%) dsoftirq/dtotal*100

idle 在internal时间段里,CPU除去等待磁盘IO操作外的因为任何原因而空闲的时间闲置时间 (%) didle/dtotal*100

intr/s 在internal时间段里,每秒CPU接收的中断的次数 dintr/dtotal*100

CPU总的工作时间=total_cur=user+system+nice+idle+iowait+irq+softirq

total_pre=pre_user+ pre_system+ pre_nice+ pre_idle+ pre_iowait+ pre_irq+ pre_softirq

duser=user_cur – user_pre

dtotal=total_cur-total_pre

其中_cur 表示当前值,_pre表示interval时间前的值。上表中的所有值可取到两位小数点。
#mpstat -P ALL 2 10
Linux 2.6.18-53.el5PAE (localhost.localdomain)  03/28/2009
 
10:07:57 PM  CPU   %user   %nice    %sys %iowait    %irq   %soft  %steal   %idle    intr/s
10:07:59 PM  all   20.75    0.00   10.50    1.50    0.25    0.25    0.00   66.75   1294.50
10:07:59 PM    0   16.00    0.00    9.00    1.50    0.00    0.00    0.00   73.50   1000.50
10:07:59 PM    1   25.76    0.00   12.12    1.52    0.00    0.51    0.00   60.10    294.00

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