Linux性能优化实战学习笔记:第四十九讲

一、上节回顾

上一期,我们一起梳理了,网络时不时丢包的分析定位和优化方法。先简单回顾一下。网络丢包,通常会带来严重的性能下降,特别是对 TCP 来说,丢包通常意味着网络拥塞和重传,
进而会导致网络延迟增大以及吞吐量降低。

而分析丢包问题,还是用我们的老套路,从 Linux 网络收发的流程入手,结合 TCP/IP 协议栈的原理来逐层分析。

其实,在排查网络问题时,我们还经常碰到的一个问题,就是内核线程的 CPU 使用率很高。比如,在高并发的场景中,内核线程 ksoftirqd 的 CPU 使用率通常就会比较高。回顾一下前面学过
的 CPU 和网络模块,你应该知道,这是网络收发的软中断导致的。

而要分析 ksoftirqd 这类 CPU 使用率比较高的内核线程,如果用我前面介绍过的那些分析方法,你一般需要借助于其他性能工具,进行辅助分析。

二、内核线程

既然要讲内核线程的性能问题,在案例开始之前,我们就先来看看,有哪些常见的内核线程。我们知道,在 Linux 中,用户态进程的“祖先”,都是 PID 号为 1 的 init 进程。比如,现在主
流的 Linux 发行版中,init 都是 systemd 进程;而其他的用户态进程,会通过 systemd 来进行管理。

稍微想一下 Linux 中的各种进程,除了用户态进程外,还有大量的内核态线程。按说内核态的线程,应该先于用户态进程启动,可是 systemd 只管理用户态进程。那么,内核态线程又是谁来
管理的呢?

实际上,Linux 在启动过程中,有三个特殊的进程,也就是 PID 号最小的三个进程:

  • 0 号进程为 idle 进程,这也是系统创建的第一个进程,它在初始化 1 号和 2 号进程后,演变为空闲任务。当 CPU 上没有其他任务执行时,就会运行它。
  • 1 号进程为 init 进程,通常是 systemd 进程,在用户态运行,用来管理其他用户态进程。
  • 2 号进程为 kthreadd 进程,在内核态运行,用来管理内核线程

所以,要查找内核线程,我们只需要从 2 号进程开始,查找它的子孙进程即可。比如,你可以使用 ps 命令,来查找 kthreadd 的子进程:

ps -f --ppid 2 -p 2
UID PID PPID C STIME TTY TIME CMD
root 2 0 0 12:02 ? 00:00:01 [kthreadd]
root 9 2 0 12:02 ? 00:00:21 [ksoftirqd/0]
root 10 2 0 12:02 ? 00:11:47 [rcu_sched]
root 11 2 0 12:02 ? 00:00:18 [migration/0]
...
root 11094 2 0 14:20 ? 00:00:00 [kworker/1:0-eve]
root 11647 2 0 14:27 ? 00:00:00 [kworker/0:2-cgr]

从上面的输出,你能够看到,内核线程的名称(CMD)都在中括号里(这一点,我们前面内容也有提到过)。所以,更简单的方法,就是直接查找名称包含中括号的进程。比如:

ps -ef | grep "\[.*\]"
root 2 0 0 08:14 ? 00:00:00 [kthreadd]
root 3 2 0 08:14 ? 00:00:00 [rcu_gp]
root 4 2 0 08:14 ? 00:00:00 [rcu_par_gp]
...

了解内核线程的基本功能,对我们排查问题有非常大的帮助。比如,我们曾经在软中断案例中提到过 ksoftirqd。它是一个用来处理软中断的内核线程,并且每个 CPU 上都有一个。

如果你知道了这一点,那么,以后遇到 ksoftirqd 的 CPU 使用高的情况,就会首先怀疑是软中断的问题,然后从软中断的角度来进一步分析。

其实,除了刚才看到的 kthreadd 和 ksoftirqd 外,还有很多常见的内核线程,我们在性能分析中都经常会碰到,比如下面这几个内核线程。

  • kswapd0:用于内存回收。在 Swap 变高 案例中,我曾介绍过它的工作原理。
  • kworker:用于执行内核工作队列,分为绑定 CPU (名称格式为 kworker/CPU:ID)和未绑定 CPU(名称格式为 kworker/uPOOL:ID)两类。
  • migration:在负载均衡过程中,把进程迁移到 CPU 上。每个 CPU 都有一个 migration 内核线程。
  • jbd2/sda1-8:jbd 是 Journaling Block Device 的缩写,用来为文件系统提供日志功能,以保证数据的完整性;名称中的 sda1-8,表示磁盘分区名称和设备号。每个使用了 ext4 文件系   统的磁盘分区,都会有一个 jbd2 内核线程。
  • pdflush:用于将内存中的脏页(被修改过,但还未写入磁盘的文件页)写入磁盘(已经在3.10 中合并入了 kworker 中)。

了解这几个容易发生性能问题的内核线程,有助于我们更快地定位性能瓶颈。接下来,我们来看今天的案例。

三、案例准备

今天的案例还是基于 Ubuntu 18.04,同样适用于其他的 Linux 系统。我使用的案例环境如下所示:

机器配置:2 CPU,8GB 内存。
预先安装 docker、perf、hping3、curl 等工具,如 apt install docker.io linux-tools-common hping3。

本次案例用到两台虚拟机,我画了一张图来表示它们的关系。

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你需要打开两个终端,分别登录这两台虚拟机中,并安装上述工具。

注意,以下所有命令都默认以 root 用户运行,如果你用普通用户身份登陆系统,请运行 sudosu root 命令,切换到 root 用户。

如果安装过程有问题,你可以先上网搜索解决,实在解决不了的,记得在留言区向我提问。

到这里,准备工作就完成了。接下来,我们正式进入操作环节。

四、案例分析

安装完成后,我们先在第一个终端,执行下面的命令运行案例,也就是一个最基本的 Nginx 应用:

# 运行 Nginx 服务并对外开放 80 端口
$ docker run -itd --name=nginx -p 80:80 nginx

然后,在第二个终端,使用 curl 访问 Nginx 监听的端口,确认 Nginx 正常启动。假设192.168.0.30 是 Nginx 所在虚拟机的 IP 地址,运行 curl 命令后,你应该会看到下面这个输出界面:

curl http://192.168.0.30/
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
...

接着,还是在第二个终端中,运行 hping3 命令,模拟 Nginx 的客户端请求:

# -S 参数表示设置 TCP 协议的 SYN(同步序列号),-p 表示目的端口为 80
# -i u10 表示每隔 10 微秒发送一个网络帧
# 注:如果你在实践过程中现象不明显,可以尝试把 10 调小,比如调成 5 甚至 1
$ hping3 -S -p 80 -i u10 192.168.0.30

现在,我们再回到第一个终端,你应该就会发现异常——系统的响应明显变慢了。我们不妨执行top,观察一下系统和进程的 CPU 使用情况:

top
top - 08:31:43 up 17 min, 1 user, load average: 0.00, 0.00, 0.02
Tasks: 128 total, 1 running, 69 sleeping, 0 stopped, 0 zombie
%Cpu0 : 0.3 us, 0.3 sy, 0.0 ni, 66.8 id, 0.3 wa, 0.0 hi, 32.4 si, 0.0 st
%Cpu1 : 0.0 us, 0.3 sy, 0.0 ni, 65.2 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 34.5 si, 0.0 st
KiB Mem : 8167040 total, 7234236 free, 358976 used, 573828 buff/cache
KiB Swap: 0 total, 0 free, 0 used. 7560460 avail Mem PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
9 root 20 0 0 0 0 S 7.0 0.0 0:00.48 ksoftirqd/0
18 root 20 0 0 0 0 S 6.9 0.0 0:00.56 ksoftirqd/1
2489 root 20 0 876896 38408 21520 S 0.3 0.5 0:01.50 docker-containe
3008 root 20 0 44536 3936 3304 R 0.3 0.0 0:00.09 top
1 root 20 0 78116 9000 6432 S 0.0 0.1 0:11.77 systemd
...

实际测试截图如下:

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从 top 的输出中,你可以看到,两个 CPU 的软中断使用率都超过了 30%;而 CPU 使用率最高的进程,正好是软中断内核线程 ksoftirqd/0 和 ksoftirqd/1。

虽然,我们已经知道了 ksoftirqd 的基本功能,可以猜测是因为大量网络收发,引起了 CPU 使用率升高;但它到底在执行什么逻辑,我们却并不知道。

对于普通进程,我们要观察其行为有很多方法,比如 strace、pstack、lsof 等等。但这些工具并不适合内核线程,比如,如果你用 pstack ,或者通过 /proc/pid/stack 查看 ksoftirqd/0(进程
号为 9)的调用栈时,分别可以得到以下输出:

pstack 9
Could not attach to target 9: Operation not permitted.
detach: No such process
cat /proc/9/stack
[<0>] smpboot_thread_fn+0x166/0x170
[<0>] kthread+0x121/0x140
[<0>] ret_from_fork+0x35/0x40
[<0>] 0xffffffffffffffff

显然,pstack 报出的是不允许挂载进程的错误;而 /proc/9/stack 方式虽然有输出,但输出中并没有详细的调用栈情况。

那还有没有其他方法,来观察内核线程 ksoftirqd 的行为呢?

既然是内核线程,自然应该用到内核中提供的机制。回顾一下我们之前用过的 CPU 性能工具,我想你肯定还记得 perf ,这个内核自带的性能剖析工具。

perf 可以对指定的进程或者事件进行采样,并且还可以用调用栈的形式,输出整个调用链上的汇总信息。 我们不妨就用 perf ,来试着分析一下进程号为 9 的 ksoftirqd。

继续在终端一中,执行下面的 perf record 命令;并指定进程号 9 ,以便记录 ksoftirqd 的行为:

# 采样 30s 后退出
$ perf record -a -g -p 9 -- sleep 30

稍等一会儿,在上述命令结束后,继续执行 perf report 命令,你就可以得到 perf 的汇总报告。按上下方向键以及回车键,展开比例最高的 ksoftirqd 后,你就可以得到下面这个调用关系链图:
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实际测试截图如下:

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从这个图中,你可以清楚看到 ksoftirqd 执行最多的调用过程。虽然你可能不太熟悉内核源码,但通过这些函数,我们可以大致看出它的调用栈过程。

  • net_rx_action 和 netif_receive_skb,表明这是接收网络包(rx 表示 receive)。
  • br_handle_frame ,表明网络包经过了网桥(br 表示 bridge)。
  • br_nf_pre_routing ,表明在网桥上执行了 netfilter 的 PREROUTING(nf 表示 netfilter)。而我们已经知道 PREROUTING 主要用来执行 DNAT,所以可以猜测这里有 DNAT 发生。
  • br_pass_frame_up,表明网桥处理后,再交给桥接的其他桥接网卡进一步处理。比如,在新的网卡上接收网络包、执行 netfilter 过滤规则等等。

我们的猜测对不对呢?实际上,我们案例最开始用 Docker 启动了容器,而 Docker 会自动为容器创建虚拟网卡、桥接到 docker0 网桥并配置 NAT 规则。这一过程,如下图所示:

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当然了,前面 perf report 界面的调用链还可以继续展开。但很不幸,我的屏幕不够大,如果展开更多的层级,最后几个层级会超出屏幕范围。这样,即使我们能看到大部分的调用过程,却也
不能说明后面层级就没问题。

那么,有没有更好的方法,来查看整个调用栈的信息呢?

五、火焰图

针对 perf 汇总数据的展示问题,Brendan Gragg 发明了火焰图,通过矢量图的形式,更直观展示汇总结果。下图就是一个针对 mysql 的火焰图示例。
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这张图看起来像是跳动的火焰,因此也就被称为火焰图。要理解火焰图,我们最重要的是区分清楚横轴和纵轴的含义。

  • 横轴表示采样数和采样比例。一个函数占用的横轴越宽,就代表它的执行时间越长。同一层的多个函数,则是按照字母来排序。
  • 纵轴表示调用栈,由下往上根据调用关系逐个展开。换句话说,上下相邻的两个函数中,下面的函数,是上面函数的父函数。这样,调用栈越深,纵轴就越高。

另外,要注意图中的颜色,并没有特殊含义,只是用来区分不同的函数。

火焰图是动态的矢量图格式,所以它还支持一些动态特性。比如,鼠标悬停到某个函数上时,就会自动显示这个函数的采样数和采样比例。而当你用鼠标点击函数时,火焰图就会把该层及其上
的各层放大,方便你观察这些处于火焰图顶部的调用栈的细节。

上面 mysql 火焰图的示例,就表示了 CPU 的繁忙情况,这种火焰图也被称为 on-CPU 火焰图。

如果我们根据性能分析的目标来划分,火焰图可以分为下面这几种。

  • on-CPU 火焰图:表示 CPU 的繁忙情况,用在 CPU 使用率比较高的场景中。
  • off-CPU 火焰图:表示 CPU 等待 I/O、锁等各种资源的阻塞情况。
  • 内存火焰图:表示内存的分配和释放情况。
  • 热 / 冷火焰图:表示将 on-CPU 和 off-CPU 结合在一起综合展示。
  • 差分火焰图:表示两个火焰图的差分情况,红色表示增长,蓝色表示衰减。差分火焰图常用来比较不同场景和不同时期的火焰图,以便分析系统变化前后对性能的影响情况。

了解了火焰图的含义和查看方法后,接下来,我们再回到案例,运用火焰图来观察刚才 perfrecord 得到的记录

六、火焰图分析

首先,我们需要生成火焰图。我们先下载几个能从 perf record 记录生成火焰图的工具,这些工具都放在 https://github.com/brendangregg/FlameGraph 上面。你可以执行下面的命令来下载:

git clone https://github.com/brendangregg/FlameGraph
$ cd FlameGraph

安装好工具后,要生成火焰图,其实主要需要三个步骤:

1. 执行 perf script ,将 perf record 的记录转换成可读的采样记录;
2. 执行 stackcollapse-perf.pl 脚本,合并调用栈信息;
3. 执行 flamegraph.pl 脚本,生成火焰图。

不过,在 Linux 中,我们可以使用管道,来简化这三个步骤的执行过程。假设刚才用 perfrecord 生成的文件路径为 /root/perf.data,执行下面的命令,你就可以直接生成火焰图:

perf script -i /root/perf.data | ./stackcollapse-perf.pl --all |  ./flamegraph.pl > ksoftirqd.svg

执行成功后,使用浏览器打开 ksoftirqd.svg ,你就可以看到生成的火焰图了。如下图所示:

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实际测试截图如下:

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根据刚刚讲过的火焰图原理,这个图应该从下往上看,沿着调用栈中最宽的函数来分析执行次数最多的函数。这儿看到的结果,其实跟刚才的 perf report 类似,但直观了很多,中间这一团
火,很明显就是最需要我们关注的地方。

我们顺着调用栈由下往上看(顺着图中蓝色箭头),就可以得到跟刚才 perf report 中一样的结果:

  1. 最开始,还是 net_rx_action 到 netif_receive_skb 处理网络收包;
  2. 然后, br_handle_frame 到 br_nf_pre_routing ,在网桥中接收并执行 netfilter 钩子函数;
  3. 再向上, br_pass_frame_up 到 netif_receive_skb ,从网桥转到其他网络设备又一次接收。

不过最后,到了 ip_forward 这里,已经看不清函数名称了。所以我们需要点击 ip_forward,展开最上面这一块调用栈:
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实际测试截图如下:

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这样,就可以进一步看到 ip_forward 后的行为,也就是把网络包发送出去。根据这个调用过程,再结合我们前面学习的网络收发和 TCP/IP 协议栈原理,这个流程中的网络接收、网桥以及
netfilter 调用等,都是导致软中断 CPU 升高的重要因素,也就是影响网络性能的潜在瓶颈。不过,回想一下网络收发的流程,你可能会觉得它缺了好多步骤。

比如,这个堆栈中并没有 TCP 相关的调用,也没有连接跟踪 conntrack 相关的函数。实际上,这些流程都在其他更小的火焰中,你可以点击上图左上角的“Reset Zoom”,回到完整火焰图
中,再去查看其他小火焰的堆栈。

所以,在理解这个调用栈时要注意。从任何一个点出发、纵向来看的整个调用栈,其实只是最顶端那一个函数的调用堆栈,而非完整的内核网络执行流程。

另外,整个火焰图不包含任何时间的因素,所以并不能看出横向各个函数的执行次序。

到这里,我们就找出了内核线程 ksoftirqd 执行最频繁的函数调用堆栈,而这个堆栈中的各层级函数,就是潜在的性能瓶颈来源。这样,后面想要进一步分析、优化时,也就有了根据。

六、小结

今天这个案例,你可能会觉得比较熟悉。实际上,这个案例,正是我们专栏 CPU 模块中的 软中断案例。

当时,我们从软中断 CPU 使用率的角度入手,用网络抓包的方法找出了瓶颈来源,确认是测试机器发送的大量 SYN 包导致的。而通过今天的 perf 和火焰图方法,我们进一步找出了软中断内
核线程的热点函数,其实也就找出了潜在的瓶颈和优化方向。

其实,如果遇到的是内核线程的资源使用异常,很多常用的进程级性能工具并不能帮上忙。这时,你就可以用内核自带的 perf 来观察它们的行为,找出热点函数,进一步定位性能瓶。当
然,perf 产生的汇总报告并不够直观,所以我也推荐你用火焰图来协助排查。

实际上,火焰图方法同样适用于普通进程。比如,在分析 Nginx、MySQL 等各种应用场景的性能问题时,火焰图也能帮你更快定位热点函数,找出潜在性能问题。

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