60,000 毫秒內(nèi)對 Linux 的性能診斷

當(dāng)你為了解決一個性能問題登錄到一臺 Linux 服務(wù)器：在***分鐘你應(yīng)該檢查些什么？

在 Netflix，我們有一個巨大的 EC2 Linux 云，以及大量的性能分析工具來監(jiān)控和診斷其性能。其中包括用于云監(jiān)控的 Atlas，以及用于按需實例分析的 Vector。雖然這些工具可以幫助我們解決大多數(shù)問題，但我們有時仍需要登錄到一個服務(wù)器實例，并運行一些標(biāo)準(zhǔn) Linux 性能工具。

在這篇文章中，Netflix Performance Engineering 團隊將會向你講解在命令行中進行一次***的性能分析的前 60 秒要做的事，使用的是你應(yīng)該可以得到的標(biāo)準(zhǔn) Linux 工具。

前六十秒：總覽

通過運行下面十個命令，你就能在六十秒內(nèi)粗略地了解系統(tǒng)正在運行的進程及資源使用情況。通過查看這些命令輸出的錯誤信息和資源飽和度（它們都很容易看懂），你可以接下來對資源進行優(yōu)化。飽和是指某個資源的負(fù)載超出了其能夠處理的限度。一旦出現(xiàn)飽和，它通常會在請求隊列的長度或等待時間上暴露出來。

• 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

其中某些命令需要預(yù)先安裝 sysstat 軟件包。這些命令展示出來的信息能夠幫你實施 USE 方法（一種用于定位性能瓶頸的方法），比如檢查各種資源（如 CPU、內(nèi)存、磁盤等）的使用率、飽和度和錯誤信息。另外在定位問題的過程中，你可以通過使用這些命令來排除某些導(dǎo)致問題的可能性，幫助你縮小檢查范圍，為下一步檢查指明方向。

下面的章節(jié)將以在一個生產(chǎn)環(huán)境上執(zhí)行這些命令作為例子，簡單介紹這些命令。若想詳細(xì)了解這些工具的使用方法，請參考它們的 man 文檔。

1. uptime

$ uptime 
 
 23:51:26 up 21:31,  1 user,  load average: 30.02, 26.43, 19.02 

這是一種用來快速查看系統(tǒng)平均負(fù)載的方法，它表明了系統(tǒng)中有多少要運行的任務(wù)（進程）。在 Linux 系統(tǒng)中，這些數(shù)字包含了需要在 CPU 中運行的進程以及正在等待 I/O（通常是磁盤 I/O）的進程。它僅僅是對系統(tǒng)負(fù)載的一個粗略展示，稍微看下即可。你還需要其他工具來進一步了解具體情況。

這三個數(shù)字展示的是一分鐘、五分鐘和十五分鐘內(nèi)系統(tǒng)的負(fù)載總量平均值按照指數(shù)比例壓縮得到的結(jié)果。從中我們可以看到系統(tǒng)的負(fù)載是如何隨時間變化的。比方你在檢查一個問題，然后看到 1 分鐘對應(yīng)的值遠(yuǎn)小于 15 分鐘的值，那么可能說明這個問題已經(jīng)過去了，你沒能及時觀察到。

在上面這個例子中，系統(tǒng)負(fù)載在隨著時間增加，因為最近一分鐘的負(fù)載值超過了 30，而 15 分鐘的平均負(fù)載則只有 19。這樣顯著的差距包含了很多含義，比方 CPU 負(fù)載。若要進一步確認(rèn)的話，則要運行 vmstat 或 mpstat 命令，這兩個命令請參考后面的第 3 和第 4 章節(jié)。

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. 

這條命令顯式了最近的 10 條系統(tǒng)消息，如果它們存在的話。查找能夠?qū)е滦阅軉栴}的錯誤。上面的例子包含了 oom-killer，以及 TCP 丟棄一個請求。

千萬不要錯過這一步！dmesg 命令永遠(yuǎn)值得一試。

3. vmstat 1

$ vmstat 1procs ---------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(8) 是虛擬內(nèi)存統(tǒng)計的簡稱，其是一個常用工具（幾十年前為了 BSD 所創(chuàng)建）。其在每行打印一條關(guān)鍵的服務(wù)器的統(tǒng)計摘要。

vmstat 命令指定一個參數(shù) 1 運行，來打印每一秒的統(tǒng)計摘要。（這個版本的 vmstat）輸出的***行的那些列，顯式的是開機以來的平均值，而不是前一秒的值。現(xiàn)在，我們跳過***行，除非你想要了解并記住每一列。

檢查這些列：

r：CPU 中正在運行和等待運行的進程的數(shù)量。其提供了一個比平均負(fù)載更好的信號來確定 CPU 是否飽和，因為其不包含 I/O。解釋：“r”的值大于了 CPU 的數(shù)量就表示已經(jīng)飽和了。

free：以 kb 為單位顯式的空閑內(nèi)存。如果數(shù)字位數(shù)很多，說明你有足夠的空閑內(nèi)存。“free -m” 命令，是下面的第七個命令，其可以更好的說明空閑內(nèi)存的狀態(tài)。

si, so：Swap-ins 和 swap-outs。如果它們不是零，則代表你的內(nèi)存不足了。

us, sy, id, wa, st：這些都是平均了所有 CPU 的 CPU 分解時間。它們分別是用戶時間（user）、系統(tǒng)時間（內(nèi)核）（system）、空閑（idle）、等待 I/O（wait）、以及占用時間（stolen）（被其他訪客，或使用 Xen，訪客自己獨立的驅(qū)動域）。

CPU 分解時間將會通過用戶時間加系統(tǒng)時間確認(rèn) CPU 是否為忙碌狀態(tài)。等待 I/O 的時間一直不變則表明了一個磁盤瓶頸；這就是 CPU 的閑置，因為任務(wù)都阻塞在等待掛起磁盤 I/O 上了。你可以把等待 I/O 當(dāng)成是 CPU 閑置的另一種形式，其給出了為什么 CPU 閑置的一個線索。

對于 I/O 處理來說，系統(tǒng)時間是很重要的。一個高于 20% 的平均系統(tǒng)時間，可以值得進一步的探討：也許內(nèi)核在處理 I/O 時效率太低了。

在上面的例子中，CPU 時間幾乎完全花在了用戶級，表明應(yīng)用程序占用了太多 CPU 時間。而 CPU 的平均使用率也在 90% 以上。這不一定是一個問題；檢查一下“r”列中的飽和度。

4. mpstat -P ALL 1

$ mpstat -P ALL 1Linux 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 
 
[...] 

這個命令打印每個 CPU 的 CPU 分解時間，其可用于對一個不均衡的使用情況進行檢查。一個單獨 CPU 很忙碌則代表了正在運行一個單線程的應(yīng)用程序。

5. pidstat 1

$ pidstat 1Linux 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 命令有點像 top 命令對每個進程的統(tǒng)計摘要，但循環(huán)打印一個滾動的統(tǒng)計摘要來代替 top 的刷屏。其可用于實時查看，同時也可將你所看到的東西（復(fù)制粘貼）到你的調(diào)查記錄中。

上面的例子表明兩個 Java 進程正在消耗 CPU。%CPU 這列是所有 CPU 合計的；1591% 表示這個 Java 進程消耗了將近 16 個 CPU。

6. iostat -xz 1

$ iostat -xz 1Linux 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    5.62   1.78   0.03 
 
[...] 
 
^C 

這是用于查看塊設(shè)備（磁盤）情況的一個很棒的工具，無論是對工作負(fù)載還是性能表現(xiàn)來說。查看個列：

r/s, w/s, rkB/s, wkB/s：這些分別代表該設(shè)備每秒的讀次數(shù)、寫次數(shù)、讀取 kb 數(shù)，和寫入 kb 數(shù)。這些用于描述工作負(fù)載。性能問題可能僅僅是由于施加了過大的負(fù)載。

await：以毫秒為單位的 I/O 平均消耗時間。這是應(yīng)用程序消耗的實際時間，因為它包括了排隊時間和處理時間。比預(yù)期更大的平均時間可能意味著設(shè)備的飽和，或設(shè)備出了問題。

avgqu-sz：向設(shè)備發(fā)出的請求的平均數(shù)量。值大于 1 說明已經(jīng)飽和了（雖說設(shè)備可以并行處理請求，尤其是由多個磁盤組成的虛擬設(shè)備。）

%util：設(shè)備利用率。這個值是一個顯示出該設(shè)備在工作時每秒處于忙碌狀態(tài)的百分比。若值大于 60％，通常表明性能不佳（可以從 await 中看出），雖然它取決于設(shè)備本身。值接近  100% 通常意味著已飽和。

如果該存儲設(shè)備是一個面向很多后端磁盤的邏輯磁盤設(shè)備，則 100% 利用率可能只是意味著當(dāng)前正在處理某些 I/O 占用，然而，后端磁盤可能遠(yuǎn)未飽和，并且可能能夠處理更多的工作。

請記住，磁盤 I/O 性能較差不一定是程序的問題。許多技術(shù)通常是異步 I/O，使應(yīng)用程序不會被阻塞并遭受延遲（例如，預(yù)讀，以及寫緩沖）。

7. free -m

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

右邊的兩列顯式：

buffers：用于塊設(shè)備 I/O 的緩沖區(qū)緩存。

cached：用于文件系統(tǒng)的頁面緩存。

我們只是想要檢查這些不接近零的大小，其可能會導(dǎo)致更高磁盤 I/O（使用 iostat 確認(rèn)），和更糟糕的性能。上面的例子看起來還不錯，每一列均有很多 M 個大小。

比起***行，-/+ buffers/cache 提供的內(nèi)存使用量會更加準(zhǔn)確些。Linux 會把暫時用不上的內(nèi)存用作緩存，一旦應(yīng)用需要的時候就立刻重新分配給它。所以部分被用作緩存的內(nèi)存其實也算是空閑的內(nèi)存。為了解釋這一點， 甚至有人專門建了個網(wǎng)站： linuxatemyram。

如果你在 Linux 上安裝了 ZFS，這一點會變得更加困惑，因為 ZFS 它自己的文件系統(tǒng)緩存不算入free -m。有時候發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)已經(jīng)沒有多少空閑內(nèi)存可用了，其實內(nèi)存卻都待在 ZFS 的緩存里。

8. sar -n DEV 1

$ sar -n DEV 1Linux 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 

這個工具可以被用來檢查網(wǎng)絡(luò)接口的吞吐量：rxkB/s 和 txkB/s，以及是否達(dá)到限額。上面的例子中，eth0 接收的流量達(dá)到 22Mbytes/s，也即 176Mbits/sec（限額是 1Gbit/sec）

我們用的版本中還提供了 %ifutil 作為設(shè)備使用率（接收和發(fā)送的***值）的指標(biāo)。我們也可以用 Brendan 的 nicstat 工具計量這個值。一如 nicstat，sar 顯示的這個值是很難精確取得的，在這個例子里面，它就沒在正常的工作（0.00）。

9. sar -n TCP,ETCP 1

$ sar -n TCP,ETCP 1Linux 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 

這是一些關(guān)鍵的 TCP 指標(biāo)的匯總視圖。這些包括：

active/s：每秒本地發(fā)起 TCP 連接數(shù)（例如，通過 connect()）。

passive/s：每秒遠(yuǎn)程發(fā)起的 TCP 連接數(shù)（例如，通過 accept()）。

retrans/s：每秒重傳 TCP 次數(shù)。

active 和 passive 的連接數(shù)往往對于描述一個粗略衡量服務(wù)器負(fù)載是非常有用的：新接受的連接數(shù)（passive），下行連接數(shù)（active）。可以理解為 active 連接是對外的，而 passive 連接是對內(nèi)的，雖然嚴(yán)格來說并不完全正確（例如，一個 localhost 到 localhost 的連接）。

重傳是出現(xiàn)一個網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器問題的一個征兆。其可能是由于一個不可靠的網(wǎng)絡(luò)（例如，公網(wǎng)）造成的，或許也有可能是由于服務(wù)器過載并丟包。上面的例子顯示了每秒只有一個新的 TCP 連接。

10. top

$ toptop - 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 
 
     6 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:06.94 kworker/u256:0 
 
     8 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0   2:38.05 rcu_sched 

top 命令包含了很多我們之前已經(jīng)檢查過的指標(biāo)。可以方便的執(zhí)行它來查看相比于之前的命令輸出的結(jié)果有很大不同，這表明負(fù)載是可變的。

top 的一個缺點是，很難看到數(shù)據(jù)隨時間變動的趨勢。vmstat 和 pidstat 提供的滾動輸出會更清楚一些。如果你不以足夠快的速度暫停輸出（Ctrl-S 暫停，Ctrl-Q 繼續(xù)），一些間歇性問題的線索也可能由于被清屏而丟失。

后續(xù)的分析

還有更多命令和方法可以用于更深入的分析。查看 Brendan 在 Velocity 2015 大會上的 Linux 性能工具教程，其中包含了超過 40 個命令，涵蓋了可觀測性、標(biāo)桿管理、調(diào)優(yōu)、靜態(tài)性能調(diào)優(yōu)、分析，和跟蹤等方面。