1. 常用的一些系统性能排查linux命令

2022-05-03 17:30:16

当系统存在短板时，就会对性能造成较大的负面影响，比如当 CPU 的负载特别高时，任务就会排队，不能及时执行。而其中，CPU、内存、I/O 这三个系统组件，又往往容易成为瓶颈，所以接下来我会对这三方面分别进行讲解。

一、CPU

首先介绍计算机中最重要的计算组件*处理器 CPU，围绕 CPU 一般我们可以：

通过 top 命令，来观测 CPU 的性能；
通过负载，评估 CPU 任务执行的排队情况；
通过 vmstat，看 CPU 的繁忙程度。

1.1 top命令--CPU性能

如下图，当进入 top 命令后，按 1 键即可看到每核 CPU 的运行指标和详细性能。

CPU 的使用有多个维度的指标，下面分别说明：

us 用户态所占用的 CPU 百分比，即引用程序所耗费的 CPU；
sy 内核态所占用的 CPU 百分比，需要配合 vmstat 命令，查看上下文切换是否频繁；
ni 高优先级应用所占用的 CPU 百分比；
wa 等待 I/O 设备所占用的 CPU 百分比，经常使用它来判断 I/O 问题，过高输入输出设备可能存在非常明显的瓶颈；
hi 硬中断所占用的 CPU 百分比；
si 软中断所占用的 CPU 百分比；
st 在平常的服务器上这个值很少发生变动，因为它测量的是宿主机对虚拟机的影响，即虚拟机等待宿主机 CPU 的时间占比，这在一些超卖的云服务器上，经常发生；
id 空闲 CPU 百分比。
一般地，我们比较关注空闲 CPU 的百分比，它可以从整体上体现 CPU 的利用情况。
那 load 为 1 代表的是啥？针对这个问题，误解还是比较多的。

1.2 负载 —— CPU 任务排队情况

如果我们评估 CPU 任务执行的排队情况，那么需要通过负载（load）来完成。除了 top 命令，使用 uptime 命令也能够查看负载情况，load 的效果是一样的，分别显示了最近 1min、5min、15min 的数值。

很多人看到 load 的值达到 1，就认为系统负载已经到了极限。这在单核的硬件上没有问题，但在多核硬件上，这种描述就不完全正确，它还与 CPU 的个数有关。例如：单核的负载达到 1，总 load 的值约为 1；双核的每核负载都达到 1，总 load 约为 2；四核的每核负载都达到 1，总 load 约为 4。所以，对于一个 load 到了 10，却是 16 核的机器，你的系统还远没有达到负载极限。

1.3 vmstat —— CPU 繁忙程度

要看 CPU 的繁忙程度，可以通过 vmstat 命令，下图是 vmstat 命令的一些输出信息。

比较关注的有下面几列： b 如果系统有负载问题，就可以看一下 b 列（Uninterruptible Sleep），它的意思是等待 I/O，可能是读盘或者写盘动作比较多； si/so 显示了交换分区的一些使用情况，交换分区对性能的影响比较大，需要格外关注； cs 每秒钟上下文切换（Context Switch）的数量，如果上下文切换过于频繁，就需要考虑是否是进程或者线程数开的过多。每个进程上下文切换的具体数量，可以通过查看内存映射文件获取，如下代码所示(voluntary_ctxt_switchesh和nonvoluntary_ctxt_switches)：

[www@m23p83 ~]$ cat /proc/1306/sta
stack   stat    statm   status  
[www@m23p83 ~]$ cat /proc/1306/status
Name:   java
State:  S (sleeping)
Tgid:   1306
Pid:    1306
PPid:   1
TracerPid:  0
Uid:    507 507 507 507
Gid:    507 507 507 507
Utrace: 0
FDSize: 256
Groups: 507 
VmPeak:  5814736 kB
VmSize:  5812064 kB
VmLck:         0 kB
VmHWM:   1699552 kB
VmRSS:   1698872 kB
VmData:  5661480 kB
VmStk:        88 kB
VmExe:         4 kB
VmLib:     16464 kB
VmPTE:      3732 kB
VmSwap:        0 kB
Threads:    75
SigQ:   0/127436
SigPnd: 0000000000000000
ShdPnd: 0000000000000000
SigBlk: 0000000000000000
SigIgn: 0000000000000002
SigCgt: 2000000181005ccd
CapInh: 0000000000000000
CapPrm: 0000000000000000
CapEff: 0000000000000000
CapBnd: ffffffffffffffff
Cpus_allowed:   f
Cpus_allowed_list:  0-3
Mems_allowed:   00000000,00000000,00000000,00000000,00000000,00000000,00000000,00000000,00000000,00000000,00000000,00000000,00000000,00000000,00000000,00000001
Mems_allowed_list:  0
voluntary_ctxt_switches:    87
nonvoluntary_ctxt_switches: 4

二、内存

逻辑地址可以映射到两个内存段上：物理内存和虚拟内存，那么整个系统可用的内存就是两者之和。比如你的物理内存是 4GB，分配了 8GB 的 SWAP 分区，那么应用可用的总内存就是 12GB。

2.1 top命令

VIRT(virtual memory usage) 这里是指虚拟内存，一般比较大，不用做过多关注；
RES(resident memory usage) 我们平常关注的是这一列的数值，它代表了进程实际占用的内存，平常在做监控时，主要监控的也是这个数值；
SHR(shared memory) 指的是共享内存，比如可以复用的一些 so 文件等。

top命令打开后，按f键如下所示，按Enter退出：

Current Fields:  AEHIOQTWKNMbcdfgjplrsuvyzX  for window 1:Def
Toggle fields via field letter, type any other key to return 

* A: PID        = Process Id                                                                   0x00100000  PF_USEDFPU (thru 2.4)
* E: USER       = User Name
* H: PR         = Priority
* I: NI         = Nice value
* O: VIRT       = Virtual Image (kb)
* Q: RES        = Resident size (kb)
* T: SHR        = Shared Mem size (kb)
* W: S          = Process Status
* K: %CPU       = CPU usage
* N: %MEM       = Memory usage (RES)
* M: TIME+      = CPU Time, hundredths
  b: PPID       = Parent Process Pid
  c: RUSER      = Real user name
  d: UID        = User Id
  f: GROUP      = Group Name
  g: TTY        = Controlling Tty
  j: P          = Last used cpu (SMP)
  p: SWAP       = Swapped size (kb)
  l: TIME       = CPU Time
  r: CODE       = Code size (kb)
  s: DATA       = Data+Stack size (kb)
  u: nFLT       = Page Fault count
  v: nDRT       = Dirty Pages count
  y: WCHAN      = Sleeping in Function
  z: Flags      = Task Flags <sched.h>
* X: COMMAND    = Command name/line

Flags field:
  0x00000001  PF_ALIGNWARN
  0x00000002  PF_STARTING
  0x00000004  PF_EXITING
  0x00000040  PF_FORKNOEXEC
  0x00000100  PF_SUPERPRIV
  0x00000200  PF_DUMPCORE
  0x00000400  PF_SIGNALED
  0x00000800  PF_MEMALLOC
  0x00002000  PF_FREE_PAGES (2.5)
  0x00008000  debug flag (2.5)
  0x00024000  special threads (2.5)
  0x001D0000  special states (2.5)

默认情况下仅显示比较重要的 PID、USER、PR、NI、VIRT、RES、SHR、S、%CPU、%MEM、TIME+、COMMAND 列。可以通过下面的快捷键来更改显示内容。

通过 f 键可以选择显示的内容。按 f 键之后会显示列的列表，按 a-z 即可显示或隐藏对应的列，最后按回车键确定。
按 o 键可以改变列的显示顺序。按小写的 a-z 可以将相应的列向右移动，而大写的 A-Z 可以将相应的列向左移动。最后按回车键确定。
按大写的 F 或 O 键，然后按 a-z 可以将进程按照相应的列进行排序。而大写的 R 键可以将当前的排序倒转。

top 运行中可以通过 top 的内部命令对进程的显示方式进行控制。内部命令如下： s – 改变画面更新频率 l – 关闭或开启第一部分第一行 top 信息的表示 t – 关闭或开启第一部分第二行 Tasks 和第三行 Cpus 信息的表示 m – 关闭或开启第一部分第四行 Mem 和第五行 Swap 信息的表示 N – 以 PID 的大小的顺序排列表示进程列表 P – 以 CPU 占用率大小的顺序排列进程列表 M – 以内存占用率大小的顺序排列进程列表 h – 显示帮助 n – 设置在进程列表所显示进程的数量 q – 退出 top s – 改变画面更新周期

三、IO

I/O 设备可能是计算机里速度最慢的组件了，它指的不仅仅是硬盘，还包括外围的所有设备。那硬盘有多慢呢？我们不去探究不同设备的实现细节，直接看它的写入速度（数据未经过严格测试，来自网络，仅作参考，在此只为了说明问题）。

如上图所示，可以看到普通磁盘的随机写与顺序写相差非常大，但顺序写与 CPU 内存依旧不在一个数量级上。

缓冲区依然是解决速度差异的唯一工具，但在极端情况下，比如断电时，就产生了太多的不确定性，这时这些缓冲区，都容易丢。

3.1 iostat

最能体现 I/O 繁忙程度的，就是 top 命令和 vmstat 命令中的 wa%。如果你的应用写了大量的日志，I/O wait 就可能非常高。

查看磁盘 I/O 的工具（iostat）, 如下所示：

图中的指标详细介绍如下所示。 %util：我们非常关注这个数值，通常情况下，这个数字超过 80%，就证明 I/O 的负荷已经非常严重了。 Device：表示是哪块硬盘，如果你有多块磁盘，则会显示多行。 avgqu-sz：平均请求队列的长度，这和十字路口排队的汽车也非常类似。显然，这个值越小越好。 awai：响应时间包含了队列时间和服务时间，它有一个经验值。通常情况下应该是小于 5ms 的，如果这个值超过了 10ms，则证明等待的时间过长了。 svctm：表示操作 I/O 的平均服务时间，这里就是 AVG 的意思。svctm 和 await 是强相关的，如果它们比较接近，则表示 I/O 几乎没有等待，设备的性能很好；但如果 await 比 svctm 的值高出很多，则证明 I/O 的队列等待时间太长，进而系统上运行的应用程序将变慢。

3.2 零拷贝

硬盘上的数据，在发往网络之前，需要经过多次缓冲区的拷贝，以及用户空间和内核空间的多次切换。如果能减少一些拷贝的过程，效率就能提升，所以零拷贝应运而生。零拷贝是一种非常重要的性能优化手段，比如常见的 Kafka、Nginx 等，就使用了这种技术。我们来看一下有无零拷贝之间的区别。 （1）没有采取零拷贝手段 如下图所示，传统方式中要想将一个文件的内容通过 Socket 发送出去，则需要经过以下步骤：将文件内容拷贝到内核空间；将内核空间内存的内容，拷贝到用户空间内存，比如 Java 应用读取 zip 文件；用户空间将内容写入到内核空间的缓存中； Socket 读取内核缓存中的内容，发送出去。

（2）采取了零拷贝手段 零拷贝有多种模式，我们用 sendfile 来举例。如下图所示，在内核的支持下，零拷贝少了一个步骤，那就是内核缓存向用户空间的拷贝，这样既节省了内存，也节省了 CPU 的调度时间，让效率更高。

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