Linux服務(wù)器的那些性能參數(shù)指標(biāo)

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一個基于 Linux 操作系統(tǒng)的服務(wù)器運(yùn)行的同時，也會表征出各種各樣參數(shù)信息。通常來說運(yùn)維人員、系統(tǒng)管理員會對這些數(shù)據(jù)會極為敏感，但是這些參數(shù)對于開發(fā)者來說也十分重要，尤其當(dāng)你的程序非正常工作的時候，這些蛛絲馬跡往往會幫助快速定位跟蹤問題。

這里只是一些簡單的工具查看系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，當(dāng)然很多工具也是通過分析加工 /proc、/sys 下的數(shù)據(jù)來工作的，而那些更加細(xì)致、專業(yè)的性能監(jiān)測和調(diào)優(yōu)，可能還需要更加專業(yè)的工具(perf、systemtap 等)和技術(shù)才能完成哦。畢竟來說，系統(tǒng)性能監(jiān)控本身就是個大學(xué)問。

? ~ top

第一行后面的三個值是系統(tǒng)在之前 1、5、15 的平均負(fù)載，也可以看出系統(tǒng)負(fù)載是上升、平穩(wěn)、下降的趨勢，當(dāng)這個值超過 CPU 可執(zhí)行單元的數(shù)目，則表示 CPU 的性能已經(jīng)飽和成為瓶頸了。

第二行統(tǒng)計(jì)了系統(tǒng)的任務(wù)狀態(tài)信息。running 很自然不必多說，包括正在 CPU 上運(yùn)行的和將要被調(diào)度運(yùn)行的；sleeping 通常是等待事件(比如 IO 操作)完成的任務(wù)，細(xì)分可以包括 interruptible 和 uninterruptible 的類型；stopped 是一些被暫停的任務(wù)，通常發(fā)送 SIGSTOP 或者對一個前臺任務(wù)操作 Ctrl-Z 可以將其暫停；zombie 僵尸任務(wù)，雖然進(jìn)程終止資源會被自動回收，但是含有退出任務(wù)的 task descriptor 需要父進(jìn)程訪問后才能釋放，這種進(jìn)程顯示為 defunct 狀態(tài)，無論是因?yàn)楦高M(jìn)程提前退出還是未 wait 調(diào)用，出現(xiàn)這種進(jìn)程都應(yīng)該格外注意程序是否設(shè)計(jì)有誤。

第三行 CPU 占用率根據(jù)類型有以下幾種情況：

• (us) user：CPU 在低 nice 值(高優(yōu)先級)用戶態(tài)所占用的時間(nice<=0)。正常情況下只要服務(wù)器不是很閑，那么大部分的 CPU 時間應(yīng)該都在此執(zhí)行這類程序

• (sy) system：CPU 處于內(nèi)核態(tài)所占用的時間，操作系統(tǒng)通過系統(tǒng)調(diào)用(system call)從用戶態(tài)陷入內(nèi)核態(tài)，以執(zhí)行特定的服務(wù)；通常情況下該值會比較小，但是當(dāng)服務(wù)器執(zhí)行的 IO 比較密集的時候，該值會比較大

• (ni) nice：CPU 在高 nice 值(低優(yōu)先級)用戶態(tài)以低優(yōu)先級運(yùn)行占用的時間(nice>0)。默認(rèn)新啟動的進(jìn)程 nice=0，是不會計(jì)入這里的，除非手動通過 renice 或者 setpriority() 的方式修改程序的nice值

• (id) idle：CPU 在空閑狀態(tài)(執(zhí)行 kernel idle handler )所占用的時間

• (wa) iowait：等待 IO 完成做占用的時間

• (hi) irq：系統(tǒng)處理硬件中斷所消耗的時間

• (si) softirq：系統(tǒng)處理軟中斷所消耗的時間，記住軟中斷分為 softirqs、tasklets (其實(shí)是前者的特例)、work queues，不知道這里是統(tǒng)計(jì)的是哪些的時間，畢竟 work queues 的執(zhí)行已經(jīng)不是中斷上下文了

• (st) steal：在虛擬機(jī)情況下才有意義，因?yàn)樘摂M機(jī)下 CPU 也是共享物理 CPU 的，所以這段時間表明虛擬機(jī)等待 hypervisor 調(diào)度 CPU 的時間，也意味著這段時間 hypervisor 將 CPU 調(diào)度給別的 CPU 執(zhí)行，這個時段的 CPU 資源被“stolen”了。這個值在我 KVM 的 VPS 機(jī)器上是不為 0 的，但也只有 0.1 這個數(shù)量級，是不是可以用來判斷 VPS 超售的情況？

CPU 占用率高很多情況下意味著一些東西，這也給服務(wù)器 CPU 使用率過高情況下指明了相應(yīng)地排查思路：

a、當(dāng) user 占用率過高的時候，通常是某些個別的進(jìn)程占用了大量的 CPU，這時候很容易通過 top 找到該程序；此時如果懷疑程序異常，可以通過 perf 等思路找出熱點(diǎn)調(diào)用函數(shù)來進(jìn)一步排查；

b、當(dāng) system 占用率過高的時候，如果 IO 操作(包括終端 IO)比較多，可能會造成這部分的 CPU 占用率高，比如在 file server、database server 等類型的服務(wù)器上，否則(比如>20%)很可能有些部分的內(nèi)核、驅(qū)動模塊有問題；

c、當(dāng) nice 占用率過高的時候，通常是有意行為，當(dāng)進(jìn)程的發(fā)起者知道某些進(jìn)程占用較高的 CPU，會設(shè)置其 nice 值確保不會淹沒其他進(jìn)程對 CPU 的使用請求；

d、當(dāng) iowait 占用率過高的時候，通常意味著某些程序的 IO 操作效率很低，或者 IO 對應(yīng)設(shè)備的性能很低以至于讀寫操作需要很長的時間來完成；

e、當(dāng) irq/softirq 占用率過高的時候，很可能某些外設(shè)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致產(chǎn)生大量的irq請求，這時候通過檢查 /proc/interrupts 文件來深究問題所在；

f、當(dāng) steal 占用率過高的時候，黑心廠商虛擬機(jī)超售了吧！

第四行和第五行是物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存(交換分區(qū))的信息：

total = free + used + buff/cache，現(xiàn)在buffers和cached Mem信息總和到一起了，但是buffers和cached

Mem 的關(guān)系很多地方都沒說清楚。其實(shí)通過對比數(shù)據(jù)，這兩個值就是 /proc/meminfo 中的 Buffers 和 Cached 字段：Buffers 是針對 raw disk 的塊緩存，主要是以 raw block 的方式緩存文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)(比如超級塊信息等)，這個值一般比較小(20M左右)；而 Cached 是針對于某些具體的文件進(jìn)行讀緩存，以增加文件的訪問效率而使用的，可以說是用于文件系統(tǒng)中文件緩存使用。

而 avail Mem 是一個新的參數(shù)值，用于指示在不進(jìn)行交換的情況下，可以給新開啟的程序多少內(nèi)存空間，大致和 free + buff/cached 相當(dāng)，而這也印證了上面的說法，free + buffers + cached Mem才是真正可用的物理內(nèi)存。并且，使用交換分區(qū)不見得是壞事情，所以交換分區(qū)使用率不是什么嚴(yán)重的參數(shù)，但是頻繁的 swap in/out 就不是好事情了，這種情況需要注意，通常表示物理內(nèi)存緊缺的情況。

最后是每個程序的資源占用列表，其中 CPU 的使用率是所有 CPU core 占用率的總和。通常執(zhí)行 top 的時候，本身該程序會大量的讀取 /proc 操作，所以基本該 top 程序本身也會是名列前茅的。

top 雖然非常強(qiáng)大，但是通常用于控制臺實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)信息，不適合長時間(幾天、幾個月)監(jiān)測系統(tǒng)的負(fù)載信息，同時對于短命的進(jìn)程也會遺漏無法給出統(tǒng)計(jì)信息。

vmstat 是除 top 之外另一個常用的系統(tǒng)檢測工具，下面截圖是我用-j4編譯boost的系統(tǒng)負(fù)載。

r 表示可運(yùn)行進(jìn)程數(shù)目，數(shù)據(jù)大致相符；而b表示的是 uninterruptible 睡眠的進(jìn)程數(shù)目；swpd 表示使用到的虛擬內(nèi)存數(shù)量，跟 top-Swap-used 的數(shù)值是一個含義，而如手冊所說，通常情況下 buffers 數(shù)目要比 cached Mem 小的多，buffers 一般20M這么個數(shù)量級；io 域的 bi、bo 表明每秒鐘向磁盤接收和發(fā)送的塊數(shù)目(blocks/s)；system 域的 in 表明每秒鐘的系統(tǒng)中斷數(shù)(包括時鐘中斷)，cs表明因?yàn)檫M(jìn)程切換導(dǎo)致上下文切換的數(shù)目。

說到這里，想到以前很多人糾結(jié)編譯 linux kernel 的時候 -j 參數(shù)究竟是 CPU Core 還是 CPU Core+1？通過上面修改 -j 參數(shù)值編譯 boost 和 linux kernel 的同時開啟 vmstat 監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)兩種情況下 context switch 基本沒有變化，且也只有顯著增加 -j 值后 context switch 才會有顯著的增加，看來不必過于糾結(jié)這個參數(shù)了，雖然具體編譯時間長度我還沒有測試。資料說如果不是在系統(tǒng)啟動或者 benchmark 的狀態(tài)，參數(shù) context switch>100000 程序肯定有問題。

如果想對某個進(jìn)程進(jìn)行全面具體的追蹤，沒有什么比 pidstat 更合適的了——棧空間、缺頁情況、主被動切換等信息盡收眼底。這個命令最有用的參數(shù)是-t，可以將進(jìn)程中各個線程的詳細(xì)信息羅列出來。

-r： 顯示缺頁錯誤和內(nèi)存使用狀況，缺頁錯誤是程序需要訪問映射在虛擬內(nèi)存空間中但是還尚未被加載到物理內(nèi)存中的一個分頁，缺頁錯誤兩個主要類型是

a、minflt/s 指的 minor faults，當(dāng)需要訪問的物理頁面因?yàn)槟承┰?比如共享頁面、緩存機(jī)制等)已經(jīng)存在于物理內(nèi)存中了，只是在當(dāng)前進(jìn)程的頁表中沒有引用，MMU 只需要設(shè)置對應(yīng)的 entry 就可以了，這個代價(jià)是相當(dāng)小的

b、majflt/s 指的 major faults，MMU 需要在當(dāng)前可用物理內(nèi)存中申請一塊空閑的物理頁面(如果沒有可用的空閑頁面，則需要將別的物理頁面切換到交換空間去以釋放得到空閑物理頁面)，然后從外部加載數(shù)據(jù)到該物理頁面中，并設(shè)置好對應(yīng)的 entry，這個代價(jià)是相當(dāng)高的，和前者有幾個數(shù)據(jù)級的差異

-s：棧使用狀況，包括 StkSize 為線程保留的?？臻g，以及 StkRef 實(shí)際使用的?？臻g。使用ulimit -s發(fā)現(xiàn)CentOS 6.x上面默認(rèn)?？臻g是10240K，而 CentOS 7.x、Ubuntu系列默認(rèn)?？臻g大小為8196K

-u：CPU使用率情況，參數(shù)同前面類似

-w：線程上下文切換的數(shù)目，還細(xì)分為cswch/s因?yàn)榈却Y源等因素導(dǎo)致的主動切換，以及nvcswch/s線程CPU時間導(dǎo)致的被動切換的統(tǒng)計(jì)

如果每次都先ps得到程序的pid后再操作pidstat會顯得很麻煩，所以這個殺手锏的-C可以指定某個字符串，然后Command中如果包含這個字符串，那么該程序的信息就會被打印統(tǒng)計(jì)出來，-l可以顯示完整的程序名和參數(shù)

? ~ pidstat -w -t -C “ailaw” -l?

這么看來，如果查看單個尤其是多線程的任務(wù)時候，pidstat比常用的ps更好使！

當(dāng)需要單獨(dú)監(jiān)測單個 CPU 情況的時候，除了 htop 還可以使用 mpstat，查看在 SMP 處理器上各個 Core 的工作量是否負(fù)載均衡，是否有某些熱點(diǎn)線程占用 Core。

? ~ mpstat -P ALL 1

如果想直接監(jiān)測某個進(jìn)程占用的資源，既可以使用top -u taozj的方式過濾掉其他用戶無關(guān)進(jìn)程，也可以采用下面的方式進(jìn)行選擇，ps命令可以自定義需要打印的條目信息：

如想理清繼承關(guān)系，下面一個常用的參數(shù)可以用于顯示進(jìn)程樹結(jié)構(gòu)，顯示效果比pstree詳細(xì)美觀的多

? ~ ps axjf

iotop 可以直觀的顯示各個進(jìn)程、線程的磁盤讀取實(shí)時速率；lsof 不僅可以顯示普通文件的打開信息(使用者)，還可以操作 /dev/sda1 這類設(shè)備文件的打開信息，那么比如當(dāng)分區(qū)無法 umount 的時候，就可以通過 lsof 找出磁盤該分區(qū)的使用狀態(tài)了，而且添加 +fg 參數(shù)還可以額外顯示文件打開 flag 標(biāo)記。

? ~ iostat -xz 1

其實(shí)無論使用 iostat -xz 1 還是使用 sar -d 1，對于磁盤重要的參數(shù)是：

• avgqu-s：發(fā)送給設(shè)備 I/O 請求的等待隊(duì)列平均長度，對于單個磁盤如果值>1表明設(shè)備飽和，對于多個磁盤陣列的邏輯磁盤情況除外

• await(r_await、w_await)：平均每次設(shè)備 I/O 請求操作的等待時間(ms)，包含請求排列在隊(duì)列中和被服務(wù)的時間之和；

• svctm：發(fā)送給設(shè)備 I/O 請求的平均服務(wù)時間(ms)，如果 svctm 與 await 很接近，表示幾乎沒有 I/O 等待，磁盤性能很好，否則磁盤隊(duì)列等待時間較長，磁盤響應(yīng)較差；

• %util：設(shè)備的使用率，表明每秒中用于 I/O 工作時間的占比，單個磁盤當(dāng) %util>60% 的時候性能就會下降(體現(xiàn)在 await 也會增加)，當(dāng)接近100%時候就設(shè)備飽和了，但對于有多個磁盤陣列的邏輯磁盤情況除外；

還有，雖然監(jiān)測到的磁盤性能比較差，但是不一定會對應(yīng)用程序的響應(yīng)造成影響，內(nèi)核通常使用 I/O asynchronously 技術(shù)，使用讀寫緩存技術(shù)來改善性能，不過這又跟上面的物理內(nèi)存的限制相制約了。

上面的這些參數(shù)，對網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)也是受用的。

網(wǎng)絡(luò)性能對于服務(wù)器的重要性不言而喻，工具 iptraf 可以直觀的現(xiàn)實(shí)網(wǎng)卡的收發(fā)速度信息，比較的簡潔方便通過 sar -n DEV 1 也可以得到類似的吞吐量信息，而網(wǎng)卡都標(biāo)配了最大速率信息，比如百兆網(wǎng)卡千兆網(wǎng)卡，很容易查看設(shè)備的利用率。

通常，網(wǎng)卡的傳輸速率并不是網(wǎng)絡(luò)開發(fā)中最為關(guān)切的，而是針對特定的 UDP、TCP 連接的丟包率、重傳率，以及網(wǎng)絡(luò)延時等信息。

? ~ netstat -s

顯示自從系統(tǒng)啟動以來，各個協(xié)議的總體數(shù)據(jù)信息。雖然參數(shù)信息比較豐富有用，但是累計(jì)值，除非兩次運(yùn)行做差才能得出當(dāng)前系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，亦或者使用 watch 眼睛直觀其數(shù)值變化趨勢。所以netstat通常用來檢測端口和連接信息的：

netstat –all(a) –numeric(n) –tcp(t) –udp(u) –timers(o) –listening(l) –program(p)

–timers可以取消域名反向查詢，加快顯示速度；比較常用的有

sar 這個工具太強(qiáng)大了，什么 CPU、磁盤、頁面交換啥都管，這里使用 -n 主要用來分析網(wǎng)絡(luò)活動，雖然網(wǎng)絡(luò)中它還給細(xì)分了 NFS、IP、ICMP、SOCK 等各種層次各種協(xié)議的數(shù)據(jù)信息，我們只關(guān)心 TCP 和 UDP。下面的命令除了顯示常規(guī)情況下段、數(shù)據(jù)報(bào)的收發(fā)情況，還包括

TCP

? ~ sudo sar -n TCP,ETCP 1?

• active/s：本地發(fā)起的 TCP 連接，比如通過 connect()，TCP 的狀態(tài)從CLOSED -> SYN-SENT

• passive/s：由遠(yuǎn)程發(fā)起的 TCP 連接，比如通過 accept()，TCP 的狀態(tài)從LISTEN -> SYN-RCVD

• retrans/s(tcpRetransSegs)：每秒鐘 TCP 重傳數(shù)目，通常在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量差，或者服務(wù)器過載后丟包的情況下，根據(jù) TCP 的確認(rèn)重傳機(jī)制會發(fā)生重傳操作

• isegerr/s(tcpInErrs)：每秒鐘接收到出錯的數(shù)據(jù)包(比如 checksum 失敗)
  

UDP

? ~ sudo sar -n UDP 1?

• noport/s(udpNoPorts)：每秒鐘接收到的但是卻沒有應(yīng)用程序在指定目的端口的數(shù)據(jù)報(bào)個數(shù)

  
  

• idgmerr/s(udpInErrors)：除了上面原因之外的本機(jī)接收到但卻無法派發(fā)的數(shù)據(jù)報(bào)個數(shù)
  
  

當(dāng)然，這些數(shù)據(jù)一定程度上可以說明網(wǎng)絡(luò)可靠性，但也只有同具體的業(yè)務(wù)需求場景結(jié)合起來才具有意義。

tcpdump 不得不說是個好東西。大家都知道本地調(diào)試的時候喜歡使用 wireshark，但是線上服務(wù)端出現(xiàn)問題怎么弄呢？

附錄的參考文獻(xiàn)給出了思路：復(fù)原環(huán)境，使用 tcpdump 進(jìn)行抓包，當(dāng)問題復(fù)現(xiàn)(比如日志顯示或者某個狀態(tài)顯現(xiàn))的時候，就可以結(jié)束抓包了，而且 tcpdump 本身帶有 -C/-W 參數(shù)，可以限制抓取包存儲文件的大小，當(dāng)達(dá)到這個這個限制的時候保存的包數(shù)據(jù)自動 rotate，所以抓包數(shù)量總體還是可控的。此后將數(shù)據(jù)包拿下線來，用 wireshark 想怎么看就怎么看，豈不樂哉！tcpdump 雖然沒有 GUI 界面，但是抓包的功能絲毫不弱，可以指定網(wǎng)卡、主機(jī)、端口、協(xié)議等各項(xiàng)過濾參數(shù)，抓下來的包完整又帶有時間戳，所以線上程序的數(shù)據(jù)包分析也可以這么簡單。

下面就是一個小的測試，可見 Chrome 啟動時候自動向 Webserver 發(fā)起建立了三條連接，由于這里限制了 dst port 參數(shù)，所以服務(wù)端的應(yīng)答包被過濾掉了，拿下來用 wireshark 打開，SYNC、ACK 建立連接的過程還是很明顯的！在使用 tcpdump 的時候，需要盡可能的配置抓取的過濾條件，一方面便于接下來的分析，二則 tcpdump 開啟后對網(wǎng)卡和系統(tǒng)的性能會有影響，進(jìn)而會影響到在線業(yè)務(wù)的性能。

本文完！

參考

Linux Performance Analysis in 60,000 Milliseconds

Linux Programmer’s Manual PROC-5

20 Command Line Tools to Monitor Linux Performance

linuxperformanceguide

Understanding Linux CPU stats

Linux性能監(jiān)控——CPU,Memory,IO,Network

Linux系統(tǒng)性能指標(biāo)

Performance Analysis

Linux Performance Analysis and Tools

Uncover the Meaning of top’s Statistics

tcpdump 和 wireshark組合拳，揪出有問題的機(jī)器

超級詳細(xì)Tcpdump 的用法

How to surprise by being a Linux-performance “know-it-all”

• 作者：taozj

• 鏈接：https://taozj.org/201701/linux-performance-basic.html

• 程序員大咖整理發(fā)布，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者獲得授權(quán)

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