算法工程師的工程修養(yǎng)：Linux 服務(wù)器性能故障分析
點(diǎn)擊上方“機(jī)器學(xué)習(xí)與生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)”，關(guān)注星標(biāo)
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掌握一些性能優(yōu)化工具和方法，這就需要在工作中不斷地積累；計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)很重要，比如說(shuō)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)、操作系統(tǒng)知識(shí)等等，掌握了基礎(chǔ)知識(shí)才能讓你在優(yōu)化過(guò)程中抓住性能問(wèn)題的關(guān)鍵，也能在性能優(yōu)化過(guò)程中游刃有余。
雖然監(jiān)控工具可以幫助我們解決大多數(shù)問(wèn)題，但我們有時(shí)需要登錄實(shí)例并運(yùn)行一些標(biāo)準(zhǔn)的 Linux 性能工具。
看他們通過(guò)十條命令在一分鐘內(nèi)對(duì)機(jī)器性能問(wèn)題進(jìn)行診斷。在 60 秒內(nèi)，您可以通過(guò)運(yùn)行以下十個(gè)命令，對(duì)系統(tǒng)資源使用情況和正在運(yùn)行的進(jìn)程有一個(gè)高層次的了解。尋找錯(cuò)誤和飽和度指標(biāo)，因?yàn)樗鼈兌己苋菀捉忉專(zhuān)缓笫琴Y源利用率。飽和是指資源的負(fù)載超出其處理能力的情況，可以作為請(qǐng)求隊(duì)列的長(zhǎng)度或等待時(shí)間來(lái)公開(kāi)。
當(dāng)我們把 Linux 操作系統(tǒng)所有的關(guān)鍵一級(jí)計(jì)數(shù)器找完之后，就會(huì)得到這樣一張圖：
這些命令的輸出，有助于快速定位性能瓶頸。主要檢查出圖中標(biāo)紅的計(jì)數(shù)器，所有資源（CPU、內(nèi)存、磁盤(pán) IO 等）的利用率（utilization）、飽和度（saturation）和錯(cuò)誤（error）度量，也就是 Brendan Gregg 提出的 USE 方法。
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
下面我們來(lái)逐一介紹下這些命令，有關(guān)這些命令更多的參數(shù)和說(shuō)明，請(qǐng)參照命令的手冊(cè)。
uptime
這個(gè)命令可以快速查看機(jī)器的負(fù)載情況：
$ uptime
23:51:26 up 21:31, 1 user, load average: 30.02, 26.43, 19.02
在 Linux 系統(tǒng)中，平均負(fù)載是指單位時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)處于可運(yùn)行狀態(tài)和不可中斷狀態(tài)的平均進(jìn)程數(shù)，也就是平均活躍進(jìn)程數(shù)。可運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程，是指正在使用 CPU 或者正在等待 CPU 的進(jìn)程，也就是我們常用 ps 命令看到的，處于 R 狀態(tài)（Running 或 Runnable）的進(jìn)程。不可中斷狀態(tài)的進(jìn)程則是正處于內(nèi)核態(tài)關(guān)鍵流程中的進(jìn)程，并且這些流程是不可打斷的。這些數(shù)據(jù)可以讓我們對(duì)系統(tǒng)資源使用有一個(gè)宏觀的了解。
命令的輸出分別表示 1 分鐘、5 分鐘、15 分鐘的平均負(fù)載情況。通過(guò)這三個(gè)數(shù)據(jù)，可以了解服務(wù)器負(fù)載是在趨于緊張還是區(qū)域緩解。如果 1 分鐘平均負(fù)載很高，而 15 分鐘平均負(fù)載很低，說(shuō)明服務(wù)器正在命令高負(fù)載情況，需要進(jìn)一步排查 CPU 資源都消耗在了哪里。反之，如果 15 分鐘平均負(fù)載很高，1 分鐘平均負(fù)載較低，則有可能是 CPU 資源緊張時(shí)刻已經(jīng)過(guò)去。
上面例子中的輸出，可以看見(jiàn)最近 1 分鐘的平均負(fù)載非常高，且遠(yuǎn)高于最近 15 分鐘負(fù)載，因此我們需要繼續(xù)排查當(dāng)前系統(tǒng)中有什么進(jìn)程消耗了大量的資源?？梢酝ㄟ^(guò)下文將會(huì)介紹的 vmstat、mpstat 等命令進(jìn)一步排查。
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.
這將查看最近 10 條系統(tǒng)消息（如果有）。查找可能導(dǎo)致性能問(wèn)題的錯(cuò)誤。上面的示例包括 oom-killer 和 TCP 丟棄請(qǐng)求。不要錯(cuò)過(guò)這一步！dmesg 總是值得檢查。這些日志可以幫助排查性能問(wèn)題。
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
每行會(huì)輸出一些系統(tǒng)核心指標(biāo)，這些指標(biāo)可以讓我們更詳細(xì)的了解系統(tǒng)狀態(tài)。后面跟的參數(shù) 1，表示每秒輸出一次統(tǒng)計(jì)信息，表頭提示了每一列的含義，這里介紹一些和性能調(diào)優(yōu)相關(guān)的列：
r：等待在 CPU 資源的進(jìn)程數(shù)量。這個(gè)數(shù)據(jù)比平均負(fù)載更加能夠體現(xiàn) CPU 負(fù)載情況，數(shù)據(jù)中不包含等待 IO 的進(jìn)程。如果這個(gè)數(shù)值大于機(jī)器 CPU 核數(shù)，那么機(jī)器的 CPU 資源已經(jīng)飽和。
free：系統(tǒng)可用內(nèi)存數(shù)（以千字節(jié)為單位），如果剩余內(nèi)存不足，也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能問(wèn)題。下文介紹到的 free 命令，可以更詳細(xì)的了解系統(tǒng)內(nèi)存的使用情況。
si, so：交換區(qū)寫(xiě)入和讀取的數(shù)量。如果這個(gè)數(shù)據(jù)不為 0，說(shuō)明系統(tǒng)已經(jīng)在使用交換區(qū)（swap），機(jī)器物理內(nèi)存已經(jīng)不足。
us, sy, id, wa, st：這些都代表了 CPU 時(shí)間的消耗，它們分別表示用戶(hù)時(shí)間（user）、系統(tǒng)（內(nèi)核）時(shí)間（sys）、空閑時(shí)間（idle）、IO 等待時(shí)間（wait）和被偷走的時(shí)間（stolen，一般被其他虛擬機(jī)消耗）。
上述這些 CPU 時(shí)間，可以讓我們很快了解 CPU 是否處于繁忙狀態(tài)。一般情況下，如果用戶(hù)時(shí)間和系統(tǒng)時(shí)間相加非常大，CPU 處于忙于執(zhí)行指令。如果 IO 等待時(shí)間很長(zhǎng)，那么系統(tǒng)的瓶頸可能在磁盤(pán) IO。示例命令的輸出可以看見(jiàn)，大量 CPU 時(shí)間消耗在用戶(hù)態(tài)，也就是用戶(hù)應(yīng)用程序消耗了 CPU 時(shí)間。這不一定是性能問(wèn)題，需要結(jié)合 r 隊(duì)列，一起分析。
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
[...]
該命令可以顯示每個(gè) CPU 的占用情況，如果有一個(gè) CPU 占用率特別高，那么有可能是一個(gè)單線(xiàn)程應(yīng)用程序引起的。
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
pidstat 命令輸出進(jìn)程的 CPU 占用率，該命令會(huì)持續(xù)輸出，并且不會(huì)覆蓋之前的數(shù)據(jù)，可以方便觀察系統(tǒng)動(dòng)態(tài)。如上的輸出，可以看見(jiàn)兩個(gè) JAVA 進(jìn)程占用了將近 1600% 的 CPU 時(shí)間，既消耗了大約 16 個(gè) CPU 核心的運(yùn)算資源。
iostat -xz 1
$ iostat -xz 1
avg-cpu: %user %nice %system %iowait %steal %idle
0.13 0.00 0.10 0.01 0.00 99.76
Device: 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 0.01
avg-cpu: %user %nice %system %iowait %steal %idle
0.25 0.00 0.00 0.00 0.00 99.75
Device: 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 0.10
avg-cpu: %user %nice %system %iowait %steal %idle
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00
iostat 命令主要用于查看機(jī)器磁盤(pán) IO 情況。該命令輸出的列，主要含義是：
r/s, w/s, rkB/s, wkB/s：分別表示每秒讀寫(xiě)次數(shù)和每秒讀寫(xiě)數(shù)據(jù)量（千字節(jié)）。讀寫(xiě)量過(guò)大，可能會(huì)引起性能問(wèn)題。
await：IO 操作的平均等待時(shí)間，單位是毫秒。這是應(yīng)用程序在和磁盤(pán)交互時(shí)，需要消耗的時(shí)間，包括 IO 等待和實(shí)際操作的耗時(shí)。如果這個(gè)數(shù)值過(guò)大，可能是硬件設(shè)備遇到了瓶頸或者出現(xiàn)故障。
avgqu-sz：向設(shè)備發(fā)出的請(qǐng)求平均數(shù)量。如果這個(gè)數(shù)值大于 1，可能是硬件設(shè)備已經(jīng)飽和（部分前端硬件設(shè)備支持并行寫(xiě)入）。
%util：設(shè)備利用率。這個(gè)數(shù)值表示設(shè)備的繁忙程度，經(jīng)驗(yàn)值是如果超過(guò) 60，可能會(huì)影響 IO 性能（可以參照 IO 操作平均等待時(shí)間）。如果到達(dá) 100%，說(shuō)明硬件設(shè)備已經(jīng)飽和。
如果顯示的是邏輯設(shè)備的數(shù)據(jù)，那么設(shè)備利用率不代表后端實(shí)際的硬件設(shè)備已經(jīng)飽和。值得注意的是，即使 IO 性能不理想，也不一定意味應(yīng)用程序會(huì)出現(xiàn)性能問(wèn)題，可以利用諸如預(yù)讀取、寫(xiě)緩存等策略提升應(yīng)用性能。
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
free 命令可以查看系統(tǒng)內(nèi)存的使用情況，-m 參數(shù)表示按照兆字節(jié)展示。最后兩列分別表示用于 IO 緩存的內(nèi)存數(shù)，和用于文件系統(tǒng)頁(yè)緩存的內(nèi)存數(shù)。需要注意的是，第二行 -/+ buffers/cache，看上去緩存占用了大量?jī)?nèi)存空間。這是 Linux 系統(tǒng)的內(nèi)存使用策略，盡可能的利用內(nèi)存，如果應(yīng)用程序需要內(nèi)存，這部分內(nèi)存會(huì)立即被回收并分配給應(yīng)用程序。因此，這部分內(nèi)存一般也被當(dāng)成是可用內(nèi)存。如果可用內(nèi)存非常少，系統(tǒng)可能會(huì)動(dòng)用交換區(qū)（如果配置了的話(huà)），這樣會(huì)增加 IO 開(kāi)銷(xiāo)（可以在 iostat 命令中體現(xiàn)），降低系統(tǒng)性能。
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
sar 命令在這里可以查看網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的吞吐率。在排查性能問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的吞吐量，判斷網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是否已經(jīng)飽和。如示例輸出中，eth0 網(wǎng)卡設(shè)備，吞吐率大概在 22 Mbytes/s，既 176 Mbits/sec，沒(méi)有達(dá)到 1Gbit/sec 的硬件上限。
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
sar 命令在這里用于查看 TCP 連接狀態(tài)，其中包括：
active/s：每秒本地發(fā)起的 TCP 連接數(shù)，既通過(guò) connect 調(diào)用創(chuàng)建的 TCP 連接；
passive/s：每秒遠(yuǎn)程發(fā)起的 TCP 連接數(shù)，即通過(guò) accept 調(diào)用創(chuàng)建的 TCP 連接；
retrans/s：每秒 TCP 重傳數(shù)量；
TCP 連接數(shù)可以用來(lái)判斷性能問(wèn)題是否由于建立了過(guò)多的連接，進(jìn)一步可以判斷是主動(dòng)發(fā)起的連接，還是被動(dòng)接受的連接。TCP 重傳可能是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)環(huán)境惡劣，或者服務(wù)器壓力過(guò)大導(dǎo)致丟包。重傳會(huì)嚴(yán)重影響tcp的效率，可以使用Brendan Gregg開(kāi)發(fā)的一個(gè)輕量級(jí)tcp重傳抓取工具: tcpretrans。
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
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 命令包含了前面好幾個(gè)命令的檢查的內(nèi)容。比如系統(tǒng)負(fù)載情況（uptime）、系統(tǒng)內(nèi)存使用情況（free）、系統(tǒng) CPU 使用情況（vmstat）等。因此通過(guò)這個(gè)命令，可以相對(duì)全面的查看系統(tǒng)負(fù)載的來(lái)源。同時(shí)，top 命令支持排序，可以按照不同的列排序，方便查找出諸如內(nèi)存占用最多的進(jìn)程、CPU 占用率最高的進(jìn)程等。但是，top 命令相對(duì)于前面一些命令，輸出是一個(gè)瞬間值，如果不持續(xù)盯著，可能會(huì)錯(cuò)過(guò)一些線(xiàn)索。這時(shí)可能需要暫停 top 命令刷新，來(lái)記錄和比對(duì)數(shù)據(jù)。
總結(jié)
排查 Linux 服務(wù)器性能問(wèn)題還有很多工具，上面介紹的一些命令，可以幫助我們快速的定位問(wèn)題。例如前面的示例輸出，多個(gè)證據(jù)證明有 JAVA 進(jìn)程占用了大量 CPU 資源，之后的性能調(diào)優(yōu)就可以針對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行。
參考鏈接
來(lái)看 Netflix 性能工程團(tuán)隊(duì)的這篇博文：https://netflixtechblog.com/linux-performance-analysis-in-60-000-milliseconds-accc10403c55
The USE Method: https://www.brendangregg.com/usemethod.html
轉(zhuǎn)載：運(yùn)維開(kāi)發(fā)故事
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