如何在 60 秒內優化提升 Linux 效能？只有 2% 的人知道
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- 2024-02-09 23:48:131028瀏覽
當你發現 Linux 伺服器上的系統效能問題，在最開始的 1 分鐘時間裡，你會查看哪些系統指標呢?
Netflix 在 AWS 上有著大規模的 EC2 集群，以及各種各樣的效能分析和監控工具。例如我們使用 Atlas 來監控整個平台，用 Vector 即時分析 EC2 執行個體的效能。這些工具已經能夠幫助我們解決大部分的問題，但有時候我們還是要登入機器內部，用一些標準的 Linux 效能分析工具來定位問題。
在這篇文章中，Netflix 效能工程團隊將介紹一些我們使用的標準 Linux 命令列工具，用於在發現問題的前 60 秒內分析和定位問題。
在這 60 秒內，你可以使用以下 10 個命令列來了解系統的整體運作情況以及目前運行進程對資源的使用情況。
在這些指標中，我們首先關注與錯誤和資源飽和率相關的指標，然後再看資源使用率。相對而言，錯誤和資源飽和率比較容易理解。飽和指的是資源（如 CPU、記憶體、磁碟）上的負載超過了它能夠處理的能力，此時我們觀察到的現像是請求隊列開始堆積或請求等待時間變長。
uptime dmesg | tail vmstat 1 mpstat -P ALL 1 pidstat 1 iostat -xz 1 free -m sar -n DEV 1 sar -n TCP,ETCP 1 top
有些命令列依賴 sysstat 套件。透過這些命令列的使用，你可以熟悉一下分析系統效能問題時常用的一套方法或流程：USE 。這個方法主要從資源使用率（Utilization）、資源飽和度（Satuation）、錯誤（Error），這三個方面對所有的資源進行分析（CPU，內存，磁碟等等）。
在這個分析的過程中，我們也要時時注意我們已經排除過的資源問題，以便縮小我們定位的範圍，並為下一步的定位提供更明確的方向。
下面的章節對每個命令列做了一個說明，並且使用了我們在生產環境的資料作為範例。對這些命令列更詳細的描述，請查看相應的說明文件。
1.uptime
#$ uptime
這個指令能很快地檢查系統平均負載，你可以認為這個負載的值顯示的是有多少任務在等待運作。在 Linux 系統裡，這包含了想要或正在使用 CPU 的任務，以及在 io 上被阻塞的任務。這個指令能讓我們對系統的全局狀態有一個大致的了解，但是我們依然需要使用其它工具來獲取更多的資訊。
這三個值是系統計算的 1 分鐘、5 分鐘、15 分鐘的指數加權的動態平均值，可以簡單地認為就是這個時間段內的平均值。根據這三個值，我們可以了解系統負載隨時間的變化。例如，假設現在系統出了問題，你去查看這三個值，發現 1 分鐘的負載值比 15 分鐘的負載值小很多，那麼你很有可能已經錯過了系統出問題的時間點。
在上面這個例子裡面，負載的平均值顯示 1 分鐘為 30，比 15 分鐘的 19 相比增長較多。有很多原因會導致負載的增加，也許是 CPU 不夠用了;vmstat 或 mpstat 可以進一步確認問題在哪裡。
2.dmesg | tail
$ dmesg | tail [1880957.563150] perl invoked oom-killer: gfp_mask=0x280da, order=0, oom_score_adj=0 [...] [1880957.563400] Out of memory: Kill process 18694 (perl) score 246 or sacrifice child [1880957.563408] Killed process 18694 (perl) total-vm:1972392kB, anon-rss:1953348kB, file- rss:0kB [2320864.954447] TCP: Possible SYN flooding on port 7001. Dropping request. Check SNMP count
這個指令顯示了最新的幾個系統日誌。這裡我們主要找一下有沒有一些系統錯誤會導致效能的問題。上面的範例包含了 oom-killer 以及 TCP 丟包。
不要略過這一步!dmesg 永遠值得看一看。
3. vmstat 1
$ vmstat 1 procs ---------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu----- r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st 34 0 0 200889792 73708 591828 0 0 0 5 6 10 96 1 3 0 0 32 0 0 200889920 73708 591860 0 0 0 592 13284 4282 98 1 1 0 0 32 0 0 200890112 73708 591860 0 0 0 0 9501 2154 99 1 0 0 0 32 0 0 200889568 73712 591856 0 0 0 48 11900 2459 99 0 0 0 0 32 0 0 200890208 73712 591860 0 0 0 0 15898 4840 98 1 1 0 0 ^C
vmstat 展示了虛擬記憶體、CPU 的一些情況。上面這個範例裡命令列的 1 表示每隔 1 秒顯示一次。在這個版本的 vmstat 裡，第一行表示了這次啟動以來的各項指標，我們可以暫時忽略第一行。
需要查看的指標：
- r：处在 runnable 状态的任务，包括正在运行的任务和等待运行的任务。这个值比平均负载能更好地看出 CPU 是否饱和。这个值不包含等待 io 相关的任务。当 r 的值比当前 CPU 个数要大的时候，系统就处于饱和状态了。
- free：以 KB 计算的空闲内存大小。
- si，so：换入换出的内存页。如果这两个值非零，表示内存不够了。
- us，sy，id，wa，st：CPU 时间的各项指标（对所有 CPU 取均值），分别表示：用户态时间，内核态时间，空闲时间，等待 io，偷取时间（在虚拟化环境下系统在其它租户上的开销）
把用户态 CPU 时间（us）和内核态 CPU 时间（sy）加起来，我们可以进一步确认 CPU 是否繁忙。等待 IO 的时间（wa）高的话，表示磁盘是瓶颈；注意，这个也被包含在空闲时间里面(id)， CPU 这个时候也是空闲的，任务此时阻塞在磁盘 IO 上了。你可以把等待 IO 的时间(wa)看做另一种形式的 CPU 空闲，它可以告诉你 CPU 为什么是空闲的。
系统处理 IO 的时候，肯定是会消耗内核态时间(sy)的。如果内核态时间较多的话，比如超过 20%，我们需要进一步分析，也许内核对 IO 的处理效率不高。
在上面这个例子里，CPU 时间大部分都消耗在了用户态，表明主要是应用层的代码在使用 CPU。CPU 利用率（us + sy）也超过了 90%，这不一定是一个问题;我们可以通过 r 和 CPU 个数确定 CPU 的饱和度。
4. mpstat -P ALL 1
$ mpstat -P ALL 1 Linux 3.13.0-49-generic (titanclusters-xxxxx) 07/14/2015 _x86_64_ (32 CPU) 07:38:49 PM CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %gnice %idle 07:38:50 PM all 98.47 0.00 0.75 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.78 07:38:50 PM 0 96.04 0.00 2.97 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.99 07:38:50 PM 1 97.00 0.00 1.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 2.00 07:38:50 PM 2 98.00 0.00 1.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1.00 07:38:50 PM 3 96.97 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 3.03 [...]
这个命令把每个 CPU 的时间都打印出来，可以看看 CPU 对任务的处理是否均匀。比如，如果某一单个 CPU 使用率很高的话，说明这是一个单线程应用。
5. pidstat 1
$ pidstat 1 Linux 3.13.0-49-generic (titanclusters-xxxxx) 07/14/2015 _x86_64_ (32 CPU) 07:41:02 PM UID PID %usr %system %guest %CPU CPU Command 07:41:03 PM 0 9 0.00 0.94 0.00 0.94 1 rcuos/0 07:41:03 PM 0 4214 5.66 5.66 0.00 11.32 15 mesos-slave 07:41:03 PM 0 4354 0.94 0.94 0.00 1.89 8 java 07:41:03 PM 0 6521 1596.23 1.89 0.00 1598.11 27 java 07:41:03 PM 0 6564 1571.70 7.55 0.00 1579.25 28 java 07:41:03 PM 60004 60154 0.94 4.72 0.00 5.66 9 pidstat 07:41:03 PM UID PID %usr %system %guest %CPU CPU Command 07:41:04 PM 0 4214 6.00 2.00 0.00 8.00 15 mesos-slave 07:41:04 PM 0 6521 1590.00 1.00 0.00 1591.00 27 java 07:41:04 PM 0 6564 1573.00 10.00 0.00 1583.00 28 java 07:41:04 PM 108 6718 1.00 0.00 0.00 1.00 0 snmp-pass 07:41:04 PM 60004 60154 1.00 4.00 0.00 5.00 9 pidstat ^C
pidstat 和 top 很像，不同的是它可以每隔一个间隔打印一次，而不是像 top 那样每次都清屏。这个命令可以方便地查看进程可能存在的行为模式，你也可以直接 copy past，可以方便地记录随着时间的变化，各个进程运行状况的变化。
上面的例子说明有 2 个 Java 进程消耗了大量 CPU。这里的 %CPU 表明的是对所有 CPU 的值，比如 1591% 标识这个 Java 进程几乎消耗了 16 个 CPU。
6. iostat -xz 1
$ iostat -xz 1 Linux 3.13.0-49-generic (titanclusters-xxxxx) 07/14/2015 x86_64 (32 CPU) avg-cpu: %user %nice %system %iowait %steal %idle 73.96 0.00 3.73 0.03 0.06 22.21 Device: rrqm/s wrqm/s r/s w/s rkB/s wkB/s avgrq-sz avgqu-sz await r_await w_await svctm %util xvda 0.00 0.23 0.21 0.18 4.52 2.08 34.37 0.00 9.98 13.80 5.42 2.44 0.09 xvdb 0.01 0.00 1.02 8.94 127.97 598.53 145.79 0.00 0.43 1.78 0.28 0.25 0.25 xvdc 0.01 0.00 1.02 8.86 127.79 595.94 146.50 0.00 0.45 1.82 0.30 0.27 0.26 dm-0 0.00 0.00 0.69 2.32 10.47 31.69 28.01 0.01 3.23 0.71 3.98 0.13 0.04 dm-1 0.00 0.00 0.00 0.94 0.01 3.78 8.00 0.33 345.84 0.04 346.81 0.01 0.00 dm-2 0.00 0.00 0.09 0.07 1.35 0.36 22.50 0.00 2.55 0.23
iostat 是理解块设备(磁盘)的当前负载和性能的重要工具。几个指标的含义：
- r/s，w/s，rkB/s，wkB/s：系统发往设备的每秒的读次数、每秒写次数、每秒读的数据量、每秒写的数据量。这几个指标反映的是系统的工作负载。系统的性能问题很有可能就是负载太大。
- await：系统发往 IO 设备的请求的平均响应时间。这包括请求排队的时间，以及请求处理的时间。超过经验值的平均响应时间表明设备处于饱和状态，或者设备有问题。
- avgqu-sz：设备请求队列的平均长度。队列长度大于 1 表示设备处于饱和状态。
- %util：设备利用率。设备繁忙的程度，表示每一秒之内，设备处理 IO 的时间占比。大于 60% 的利用率通常会导致性能问题(可以通过 await 看到)，但是每种设备也会有有所不同。接近 100% 的利用率表明磁盘处于饱和状态。
如果这个块设备是一个逻辑块设备，这个逻辑快设备后面有很多物理的磁盘的话，100% 利用率只能表明有些 IO 的处理时间达到了 100%;后端的物理磁盘可能远远没有达到饱和状态，可以处理更多的负载。
还有一点需要注意的是，较差的磁盘 IO 性能并不一定意味着应用程序会有问题。应用程序可以有许多方法执行异步 IO，而不会阻塞在 IO 上面;应用程序也可以使用诸如预读取，写缓冲等技术降低 IO 延迟对自身的影响。
7. free -m
$ free -m total used free shared buffers cached Mem: 245998 24545 221453 83 59 541 -/+ buffers/cache: 23944 222053 Swap:
右边的两列显式：
- buffers：用于块设备 I/O 的缓冲区缓存。
- cached：用于文件系统的页面缓存。
我们只是想要检查这些不接近零的大小，其可能会导致更高磁盘 I/O(使用 iostat 确认)，和更糟糕的性能。上面的例子看起来还不错，每一列均有很多 M 个大小。
比起第一行，-/+ buffers/cache 提供的内存使用量会更加准确些。Linux 会把暂时用不上的内存用作缓存，一旦应用需要的时候就立刻重新分配给它。所以部分被用作缓存的内存其实也算是空闲的内存。为了解释这一点， 甚至有人专门建了个网站：http://www.linuxatemyram.com/。
如果使用 ZFS 的话，可能会有点困惑。ZFS 有自己的文件系统缓存，在 free -m 里面看不到;系统看起来空闲内存不多了，但是有可能 ZFS 有很多的缓存可用。
8. sar -n DEV 1
$ sar -n DEV 1 Linux 3.13.0-49-generic (titanclusters-xxxxx) 07/14/2015 _x86_64_ (32 CPU) 12:16:48 AM IFACE rxpck/s txpck/s rxkB/s txkB/s rxcmp/s txcmp/s rxmcst/s %ifutil 12:16:49 AM eth0 18763.00 5032.00 20686.42 478.30 0.00 0.00 0.00 0.00 12:16:49 AM lo 14.00 14.00 1.36 1.36 0.00 0.00 0.00 0.00 12:16:49 AM docker0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 12:16:49 AM IFACE rxpck/s txpck/s rxkB/s txkB/s rxcmp/s txcmp/s rxmcst/s %ifutil 12:16:50 AM eth0 19763.00 5101.00 21999.10 482.56 0.00 0.00 0.00 0.00 12:16:50 AM lo 20.00 20.00 3.25 3.25 0.00 0.00 0.00 0.00 12:16:50 AM docker0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 ^C
这个工具可以查看网络接口的吞吐量：rxkB/s 和 txkB/s 可以测量负载，也可以看是否达到网络流量限制了。在上面的例子里，eth0 的吞吐量达到了大约 22 Mbytes/s，差不多 176 Mbits/sec ，比 1 Gbit/sec 还要少很多。
这个例子里也有 %ifutil 标识设备利用率，我们也用 Brenan 的 nicstat tool 测量。和 nicstat 一样，这个设备利用率很难测量正确，上面的例子里好像这个值还有点问题。
9. sar -n TCP,ETCP 1
$ sar -n TCP,ETCP 1 Linux 3.13.0-49-generic (titanclusters-xxxxx) 07/14/2015 _x86_64_ (32 CPU) 12:17:19 AM active/s passive/s iseg/s oseg/s 12:17:20 AM 1.00 0.00 10233.00 18846.00 12:17:19 AM atmptf/s estres/s retrans/s isegerr/s orsts/s 12:17:20 AM 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 12:17:20 AM active/s passive/s iseg/s oseg/s 12:17:21 AM 1.00 0.00 8359.00 6039.00 12:17:20 AM atmptf/s estres/s retrans/s isegerr/s orsts/s 12:17:21 AM 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 ^C
这是对 TCP 重要指标的一些概括，包括：
- active/s：每秒钟本地主动开启的 TCP 连接，也就是本地程序使用 connect() 系统调用
- passive/s：每秒钟从源端发起的 TCP 连接，也就是本地程序使用 accept() 所接受的连接
- retrans/s：每秒钟的 TCP 重传次数
- atctive 和 passive 的数目通常可以用来衡量服务器的负载：接受连接的个数(passive)，下游连接的个数(active)。可以简单认为 active 为出主机的连接，passive 为入主机的连接；但这个不是很严格的说法，比如 loalhost 和 localhost 之间的连接。
重传表示网络或者服务器的问题。也许是网络不稳定了，也许是服务器负载过重开始丢包了。上面这个例子表示每秒只有 1 个新连接建立。
10. top
$ top top - 00:15:40 up 21:56, 1 user, load average: 31.09, 29.87, 29.92 Tasks: 871 total, 1 running, 868 sleeping, 0 stopped, 2 zombie %Cpu(s): 96.8 us, 0.4 sy, 0.0 ni, 2.7 id, 0.1 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st KiB Mem: 25190241+total, 24921688 used, 22698073+free, 60448 buffers KiB Swap: 0 total, 0 used, 0 free. 554208 cached Mem PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND 20248 root 20 0 0.227t 0.012t 18748 S 3090 5.2 29812:58 java 4213 root 20 0 2722544 64640 44232 S 23.5 0.0 233:35.37 mesos-slave 66128 titancl+ 20 0 24344 2332 1172 R 1.0 0.0 0:00.07 top 5235 root 20 0 38.227g 547004 49996 S 0.7 0.2 2:02.74 java 4299 root 20 0 20.015g 2.682g 16836 S 0.3 1.1 33:14.42 java 1 root 20 0 33620 2920 1496 S 0.0 0.0 0:03.82 init 2 root 20 0 0 0 0 S 0.0 0.0 0:00.02 kthreadd 3 root 20 0 0 0 0 S 0.0 0.0 0:05.35 ksoftirqd/0 5 root 0 -20 0 0 0 S 0.0 0.0 0:00.00 kworker/0:0H
top 命令涵盖了我们前面讲述的许多指标。我们可以用它来看和我们之前查看的结果有没有很大的不同，如果有的话，那表示系统的负载在变化。
top 的缺点就是你很难找到这些指标随着时间的一些行为模式，在这种情况下，vmstat 或者 pidstat 这种可以提供滚动输出的命令是更好的方式。如果你不以足够快的速度暂停输出(Ctrl-S 暂停，Ctrl-Q 继续)，一些间歇性问题的线索也可能由于被清屏而丢失。
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