微信公众号：运维开发故事，作者：夏老师

掌握一些性能优化工具和方法，这就需要在工作中不断地积累；计算机基础知识很重要，比如说网络知识、操作系统知识等等，掌握了基础知识才能让你在优化过程中抓住性能问题的关键，也能在性能优化过程中游刃有余。

虽然监控工具可以帮助我们解决大多数问题，但我们有时需要登录实例并运行一些标准的 Linux 性能工具。

来看 Netflix 性能工程团队的这篇博文，看它们通过十条命令在一分钟内对机器性能问题进行诊断。
在 60 秒内，您可以通过运行以下十个命令，对系统资源使用情况和正在运行的进程有一个高层次的了解。寻找错误和饱和度指标，因为它们都很容易解释，然后是资源利用率。饱和是指资源的负载超出其处理能力的情况，可以作为请求队列的长度或等待时间来公开。
当我们把 Linux 操作系统所有的关键一级计数器找完之后，就会得到这样一张图：
![image.png](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/49d6cd9873785d0c7cbf9acfcb4ca386.png#align=left&display=inline&height=732&margin=[object Object]&name=image.png&originHeight=2987&originWidth=2065&size=1083884&status=done&style=none&width=506)
这些命令的输出，有助于快速定位性能瓶颈。主要检查出图中标红的计数器，所有资源（CPU、内存、磁盘 IO 等）的利用率（utilization）、饱和度（saturation）和错误（error）度量，也就是Brendan Gregg提出的的 USE 方法。
![image.png](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/8cbb6946454e1456c6a4f753f794cee1.png#align=left&display=inline&height=1147&margin=[object Object]&name=image.png&originHeight=2294&originWidth=1688&size=1037607&status=done&style=none&width=844)

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

下面我们来逐一介绍下这些命令，有关这些命令更多的参数和说明，请参照命令的手册。

1.uptime

这个命令可以快速查看机器的负载情况：


$ uptime
23:51:26 up 21:31,  1 user,  load average: 30.02, 26.43, 19.02
  • 在 Linux 系统中，平均负载是指单位时间内，系统处于可运行状态和不可中断状态的平均进程数，也就是平均活跃进程数。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，也就是我们常用 ps 命令看到的，处于 R 状态（Running 或 Runnable）的进程。不可中断状态的进程则是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。这些数据可以让我们对系统资源使用有一个宏观的了解。
  • 命令的输出分别表示 1 分钟、5 分钟、15 分钟的平均负载情况。通过这三个数据，可以了解服务器负载是在趋于紧张还是区域缓解。如果 1 分钟平均负载很高，而 15 分钟平均负载很低，说明服务器正在命令高负载情况，需要进一步排查 CPU 资源都消耗在了哪里。反之，如果 15 分钟平均负载很高，1 分钟平均负载较低，则有可能是 CPU 资源紧张时刻已经过去。
  • 上面例子中的输出，可以看见最近 1 分钟的平均负载非常高，且远高于最近 15 分钟负载，因此我们需要继续排查当前系统中有什么进程消耗了大量的资源。可以通过下文将会介绍的 vmstat、mpstat 等命令进一步排查。

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 counters.

这将查看最近 10 条系统消息（如果有）。查找可能导致性能问题的错误。上面的示例包括 oom-killer 和 TCP 丢弃请求。
不要错过这一步！dmesg 总是值得检查。这些日志可以帮助排查性能问题。

3.vmstat

$ 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

每行会输出一些系统核心指标，这些指标可以让我们更详细的了解系统状态。后面跟的参数 1，表示每秒输出一次统计信息，表头提示了每一列的含义，这几介绍一些和性能调优相关的列：

  • r：等待在 CPU 资源的进程数。这个数据比平均负载更加能够体现 CPU 负载情况，数据中不包含等待 IO 的进程。如果这个数值大于机器 CPU 核数，那么机器的 CPU 资源已经饱和。
  • free：系统可用内存数（以千字节为单位），如果剩余内存不足，也会导致系统性能问题。下文介绍到的 free 命令，可以更详细的了解系统内存的使用情况。
  • si, so：交换区写入和读取的数量。如果这个数据不为 0，说明系统已经在使用交换区（swap），机器物理内存已经不足。
  • us, sy, id, wa, st：这些都代表了 CPU 时间的消耗，它们分别表示用户时间（user）、系统（内核）时间（sys）、空闲时间（idle）、IO 等待时间（wait）和被偷走的时间（stolen，一般被其他虚拟机消耗）。

上述这些 CPU 时间，可以让我们很快了解 CPU 是否出于繁忙状态。一般情况下，如果用户时间和系统时间相加非常大，CPU 出于忙于执行指令。如果 IO 等待时间很长，那么系统的瓶颈可能在磁盘 IO。
示例命令的输出可以看见，大量 CPU 时间消耗在用户态，也就是用户应用程序消耗了 CPU 时间。这不一定是性能问题，需要结合 r 队列，一起分析。

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
[...]

该命令可以显示每个 CPU 的占用情况，如果有一个 CPU 占用率特别高，那么有可能是一个单线程应用程序引起的。

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  pidstat07:41:03 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 命令输出进程的 CPU 占用率，该命令会持续输出，并且不会覆盖之前的数据，可以方便观察系统动态。如上的输出，可以看见两个 JAVA 进程占用了将近 1600% 的 CPU 时间，既消耗了大约 16 个 CPU 核心的运算资源。

6.iostat -xz 1

$ iostat -xz 1
avg-cpu:  %user   %nice %system %iowait  %steal   %idle0.13    0.00    0.10    0.01    0.00   99.76Device:         rrqm/s   wrqm/s     r/s     w/s    rkB/s    wkB/s avgrq-sz avgqu-sz   await r_await w_await  svctm  %util
vda               0.00     0.62    0.03    0.89     0.57     7.97    18.52     0.00    0.68    1.96    0.64   0.60   0.06
vdb               0.00     0.02    0.00    0.38     0.05     2.64    14.12     0.00    0.84    0.46    0.84   0.54   0.02
dm-0              0.00     0.00    0.00    0.40     0.01     2.75    13.62     0.00    0.98    0.37    0.98   0.35   0.01avg-cpu:  %user   %nice %system %iowait  %steal   %idle0.25    0.00    0.00    0.00    0.00   99.75Device:         rrqm/s   wrqm/s     r/s     w/s    rkB/s    wkB/s avgrq-sz avgqu-sz   await r_await w_await  svctm  %util
vda               0.00     0.00    0.00    1.00     0.00     4.00     8.00     0.00    0.00    0.00    0.00   1.00   0.10avg-cpu:  %user   %nice %system %iowait  %steal   %idle0.00    0.00    0.00    0.00    0.00  100.00

iostat 命令主要用于查看机器磁盘 IO 情况。该命令输出的列，主要含义是：

  • r/s, w/s, rkB/s, wkB/s：分别表示每秒读写次数和每秒读写数据量（千字节）。读写量过大，可能会引起性能问题。
  • await：IO 操作的平均等待时间，单位是毫秒。这是应用程序在和磁盘交互时，需要消耗的时间，包括 IO 等待和实际操作的耗时。如果这个数值过大，可能是硬件设备遇到了瓶颈或者出现故障。
  • avgqu-sz：向设备发出的请求平均数量。如果这个数值大于 1，可能是硬件设备已经饱和（部分前端硬件设备支持并行写入）。
  • %util：设备利用率。这个数值表示设备的繁忙程度，经验值是如果超过 60，可能会影响 IO 性能（可以参照 IO 操作平均等待时间）。如果到达 100%，说明硬件设备已经饱和。

如果显示的是逻辑设备的数据，那么设备利用率不代表后端实际的硬件设备已经饱和。值得注意的是，即使 IO 性能不理想，也不一定意味这应用程序性能会不好，可以利用诸如预读取、写缓存等策略提升应用性能。

7.free –m

$ free -mtotal       used       free     shared    buffers     cached
Mem:        245998      24545     221453         83         59        541
-/+ buffers/cache:      23944     222053
Swap:            0          0          0

free 命令可以查看系统内存的使用情况，-m 参数表示按照兆字节展示。最后两列分别表示用于 IO 缓存的内存数，和用于文件系统页缓存的内存数。需要注意的是，第二行 -/+ buffers/cache，看上去缓存占用了大量内存空间。这是 Linux 系统的内存使用策略，尽可能的利用内存，如果应用程序需要内存，这部分内存会立即被回收并分配给应用程序。因此，这部分内存一般也被当成是可用内存。
如果可用内存非常少，系统可能会动用交换区（如果配置了的话），这样会增加 IO 开销（可以在 iostat 命令中提现），降低系统性能。

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

sar 命令在这里可以查看网络设备的吞吐率。在排查性能问题时，可以通过网络设备的吞吐量，判断网络设备是否已经饱和。如示例输出中，eth0 网卡设备，吞吐率大概在 22 Mbytes/s，既 176 Mbits/sec，没有达到 1Gbit/sec 的硬件上限。

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

sar 命令在这里用于查看 TCP 连接状态，其中包括：

  • active/s：每秒本地发起的 TCP 连接数，既通过 connect 调用创建的 TCP 连接；
  • passive/s：每秒远程发起的 TCP 连接数，即通过 accept 调用创建的 TCP 连接；
  • retrans/s：每秒 TCP 重传数量；

TCP 连接数可以用来判断性能问题是否由于建立了过多的连接，进一步可以判断是主动发起的连接，还是被动接受的连接。TCP 重传可能是因为网络环境恶劣，或者服务器压力过大导致丢包。重传会严重影响tcp的效率，可以使用Brendan Gregg开发的一个轻量级tcp重传抓取工具: tcpretrans。

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 MemPID 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 java4213 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 top5235 root      20   0 38.227g 547004  49996 S   0.7  0.2   2:02.74 java4299 root      20   0 20.015g 2.682g  16836 S   0.3  1.1  33:14.42 java1 root      20   0   33620   2920   1496 S   0.0  0.0   0:03.82 init2 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:00.02 kthreadd3 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:05.35 ksoftirqd/05 root       0 -20       0      0      0 S   0.0  0.0   0:00.00 kworker/0:0H6 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:06.94 kworker/u256:08 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0   2:38.05 rcu_sched

top 命令包含了前面好几个命令的检查的内容。比如系统负载情况（uptime）、系统内存使用情况（free）、系统 CPU 使用情况（vmstat）等。因此通过这个命令，可以相对全面的查看系统负载的来源。同时，top 命令支持排序，可以按照不同的列排序，方便查找出诸如内存占用最多的进程、CPU 占用率最高的进程等。
但是，top 命令相对于前面一些命令，输出是一个瞬间值，如果不持续盯着，可能会错过一些线索。这时可能需要暂停 top 命令刷新，来记录和比对数据。

总结

排查 Linux 服务器性能问题还有很多工具，上面介绍的一些命令，可以帮助我们快速的定位问题。例如前面的示例输出，多个证据证明有 JAVA 进程占用了大量 CPU 资源，之后的性能调优就可以针对应用程序进行。

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