性能监控与优化

Posted 2022-05-02 vector6_

性能优化——CPU

性能指标：

• 吞吐、延时（应用负载视角）
• CPU、内存（资源视角）

性能分析，其实就是找出应用或系统的瓶颈，并设法去避免或者缓解它们，从而更高效地利用系统资源处理更多的请求。这包含了一系列的步骤，比如下面这六个步骤：

• 选择指标评估应用程序和系统的性能；
• 为应用程序和系统设置性能目标；
• 进行性能基准测试；
• 性能分析定位瓶颈；
• 优化系统和应用程序；
• 性能监控和告警。

性能工具图谱：

平均负载

平均负载是指单位时间内，系统处于可运行状态(R 状态)和不可中断状态(D 状态)的平均进程数，也就是平均活跃进程数。

可运行状态：可运行状态的进程，是指正在使用 CPU 或者正在等待 CPU 的进程，即ps 命令中的R 状态（Running）

不可中断状态：正处于内核态关键流程中的进程，并且这些流程是不可打断的，比如最常见的是等待硬件设备的 I/O 响应，也就是我们在 ps 命令中看到的 D 状态（Uninterruptible Sleep，也称为 Disk Sleep）的进程。

对于活跃进程数，最理想的就是每个 CPU 上都刚好运行着一个进程，这样每个 CPU 都得到了充分利用。比如当平均负载为 2 时，意味着什么呢？

• 在只有 2 个 CPU 的系统上，意味着所有的 CPU 都刚好被完全占用。
• 在 4 个 CPU 的系统上，意味着 CPU 有 50% 的空闲。
• 而在只有 1 个 CPU 的系统中，则意味着有一半的进程竞争不到 CPU。

平均负载为多少时合理？

我们知道，平均负载最理想的情况是等于 CPU 个数。所以在评判平均负载时，首先你要知道系统有几个 CPU，这可以通过 top 命令或者从文件 /proc/cpuinfo 中读取。

知道了CPU个数，如果平均负载比CPU个数还要大时，可以判断系统已经出现了过载。

我们可以简单的通过uptime查看系统的负载：

$ uptime
02:34:03 up 2 days, 20:14,  1 user,  load average: 0.63, 0.83, 0.88

各数据的含义：

02:34:03 – 当前时间

up 2 days, 20:14, – 系统运行时间

1 user – 正在登陆用户数

load average: 0.63, 0.83, 0.88 – 依次是过去 1 分钟、5 分钟、15 分钟的平均负载。

Linux 系统压力测试工具：stress

Linux 系统监测工具： sysstat: mpstat pidstat

实际生产环境中，平均负载高于CPU数量的70%的时候时，就应该分析排查负载高的问题。

但 70% 这个数字并不是绝对的，最推荐的方法，还是把系统的平均负载监控起来，然后根据更多的历史数据，判断负载的变化趋势。当发现负载有明显升高趋势时，比如说负载翻倍了，你再去做分析和调查。

平均负载与CPU使用率

平均负载与CPU使用率并不一定完全对应。平均负载指单位时间内，处于可运行状态和不可中断状态的进程数，所以，它不仅包括了正在使用 CPU 的进程，还包括等待 CPU 和等待 I/O 的进程。而 CPU 使用率，是单位时间内 CPU 繁忙情况的统计。可能的情况有：

• CPU 密集型进程，使用大量 CPU 会导致平均负载升高，此时这两者是一致的；
• I/O 密集型进程，等待 I/O 也会导致平均负载升高，但 CPU 使用率不一定很高；
• 大量等待 CPU 的进程调度也会导致平均负载升高，此时的 CPU 使用率也会比较高。

CPU使用率

Linux 作为一个多任务操作系统，将每个 CPU 的时间划分为很短的时间片，再通过调度器轮流分配给各个任务使用，因此造成多任务同时运行的错觉。为了维护 CPU 时间，Linux 通过事先定义的节拍率（内核中表示为 HZ），触发时间中断，并使用全局变量 Jiffies 记录了开机以来的节拍数。每发生一次时间中断，Jiffies 的值就加 1。

节拍率 HZ 是内核的可配选项，可以设置为 100、250、1000 等。不同的系统可能设置不同数值，可以通过查询 /boot/config 内核选项来查看它的配置值。由于节拍率 HZ 是内核选项，所以用户空间程序并不能直接访问。为了方便用户空间程序，内核还提供了一个用户空间节拍率 USER_HZ，它总是固定为 100，也就是 1/100 秒。这样，用户空间程序并不需要关心内核中 HZ 被设置成了多少，因为它看到的总是固定值 USER_HZ。

Linux 通过 /proc 虚拟文件系统，向用户空间提供了系统内部状态的信息，而 /proc/stat 提供的就是系统的 CPU 和任务统计信息。比方说，如果只关注 CPU 的话，可以执行下面的命令：

# 只保留各个CPU的数据
$ cat /proc/stat | grep ^cpu
cpu  280580 7407 286084 172900810 83602 0 583 0 0 0
cpu0 144745 4181 176701 86423902 52076 0 301 0 0 0
cpu1 135834 3226 109383 86476907 31525 0 282 0 0 0

输出中第一列表示的是 CPU 编号，如 cpu0、cpu1 ，而第一行没有编号的 cpu ，表示的是所有 CPU 的累加。其他列则表示不同场景下 CPU 的累加节拍数，它的单位是 USER_HZ，也就是 10 ms（1/100 秒），所以这其实就是不同场景下的 CPU 时间。proc主要条目有：

• user（通常缩写为 us），代表用户态 CPU 时间。注意，它不包括下面的 nice 时间，但包括了 guest 时间。
• nice（通常缩写为 ni），代表低优先级用户态 CPU 时间，也就是进程的 nice 值被调整为 1-19 之间时的 CPU 时间。这里注意，nice 可取值范围是 -20 到 19，数值越大，优先级反而越低
• system（通常缩写为 sys），代表内核态 CPU 时间。
• idle（通常缩写为 id），代表空闲时间。注意，它不包括等待 I/O 的时间（iowait）。
• iowait（通常缩写为 wa），代表等待 I/O 的 CPU 时间。
• irq（通常缩写为 hi），代表处理硬中断的 CPU 时间。
• softirq（通常缩写为 si），代表处理软中断的 CPU 时间。
• steal（通常缩写为 st），代表当系统运行在虚拟机中的时候，被其他虚拟机占用的 CPU 时间。
• guest（通常缩写为 guest），代表通过虚拟化运行其他操作系统的时间，也就是运行虚拟机的 CPU 时间。
• guest_nice（通常缩写为 gnice），代表以低优先级运行虚拟机的时间。

而我们通常所说的 CPU 使用率，就是除了空闲时间外的其他时间占总 CPU 时间的百分比，用公式来表示就是：
$$CPU使用率=1-空闲时间/CPU总时间$$
但是这里使用/proc/stat 的数据计算出来的是开机以来的平均 CPU 使用率，一般没啥参考价值。

为了计算 CPU 使用率，性能工具一般都会取间隔一段时间（比如 3 秒）的两次值，作差后，再计算出这段时间内的平均 CPU 使用率，即
$$平均CPU使用率=1-(new空闲时间-Old空闲时间)/(new总CPU时间-old总CPU时间)$$
上面是系统CPU使用率的计算方法，而对于进程，在 /proc/[pid]/stat 提供了每个进程提供了运行情况的统计信息。

对于上述系统/进程的CPU使用率，各种各样的性能分析工具已经帮我们计算好了。不过要注意的是，**性能分析工具给出的都是间隔一段时间的平均 CPU 使用率，所以要注意间隔时间的设置，特别是用多个工具对比分析时，你一定要保证它们用的是相同的间隔时间。**比如，对比一下 top 和 ps 这两个工具报告的 CPU 使用率，默认的结果很可能不一样，因为 top 默认使用 3 秒时间间隔，而 ps 使用的却是进程的整个生命周期。

常用CPU观测工具

top显示了系统总体的 CPU 和内存使用情况，以及各个进程的资源使用情况。

pidstat相对于top，可以细分监控用户态CPU和内核态CPU每个进程的CPU使用情况

CPU使用率过高怎么办

通过 top、ps、pidstat 等工具，你能够轻松找到 CPU 使用率较高（比如 100% ）的进程。但是要想知道具体占用CPU的是哪个函数，可以使用perf

perf top，类似于 top，它能够实时显示占用 CPU 时钟最多的函数或者指令，因此可以用来查找热点函数，如下所示：

$ perf top
Samples: 833  of event 'cpu-clock', Event count (approx.): 97742399
Overhead  Shared Object       Symbol
   7.28%  perf                [.] 0x00000000001f78a4
   4.72%  [kernel]            [k] vsnprintf
   4.32%  [kernel]            [k] module_get_kallsym
   3.65%  [kernel]            [k] _raw_spin_unlock_irqrestore
...

输出结果中，第一行包含三个数据，分别是采样数（Samples）、事件类型（event）和事件总数量（Event count）。

再往下看是一个表格式样的数据，每一行包含四列，分别是：

• 第一列 Overhead ，是该符号的性能事件在所有采样中的比例，用百分比来表示。
• 第二列 Shared ，是该函数或指令所在的动态共享对象（Dynamic Shared Object），如内核、进程名、动态链接库名、内核模块名等。
• 第三列 Object ，是动态共享对象的类型。比如 [.] 表示用户空间的可执行程序、或者动态链接库，而 [k] 则表示内核空间。
• 最后一列 Symbol 是符号名，也就是函数名。当函数名未知时，用十六进制的地址来表示。

perf record 和 perf report。 perf top 虽然实时展示了系统的性能信息，但它的缺点是并不保存数据，也就无法用于离线或者后续的分析。而 perf record 则提供了保存数据的功能，保存后的数据，需要你用 perf report 解析展示。

在实际使用中，我们还经常为 perf top 和 perf record 加上 -g 参数，开启调用关系的采样，方便我们根据调用链来分析性能问题。

无法用于离线或者后续的分析。而 perf record 则提供了保存数据的功能，保存后的数据，需要你用 perf report 解析展示。

在实际使用中，我们还经常为 perf top 和 perf record 加上 -g 参数，开启调用关系的采样，方便我们根据调用链来分析性能问题。