Linux 性能诊断:负载评估

摘要

  • 基于 Linux 单机的负载评估
  • 负载诊断流程
  • 概念:什么是负载
  • 负载:CPU 还是 I/O
  • Linux 内核进程调度器

概要:负载诊断流程

  • 观察load average (平均负载)
  • 观察CPU、I/O是否存在瓶颈

从load avgerage等总括性的数据着手,参考CPU使用率和I/O等待时间等具体的数字,从而自顶向下快速排查各进程状态。

perf-flow

概念:什么是负载?

负载可以分为两大部分:CPU负载、I/O 负载 。

load average

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uptime
top
cat /proc/loadavg
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load average:0.65, 1.49, 1.76 (负载很低)
load average:3.49, 3.67, 3.75 (负载一般)
load average:33.20, 18.39, 15.21 (负载高)
load average:70.25, 80.50, 95.38 (负载非常高,需要干预)
load average:7.89, 11.42, 13.42 (当前负载趋于下降)
load average:17.89, 13.28, 4.45 (当前负载趋于上升)

依次时过去1分钟,5分钟,15分钟内,单位时间的等待任务数,也就是表示平均有多少任务正处于等待状态。在load average较高的情况下,就说明等待运行的任务较多,因此轮到该任务运行的等待时间就会出现较大延迟,即反映了此时负载较高。

Linux 内核进程调度器(Process Scheduler)

负责决定任务运行的优先级,以及让任务等待或使之重新开始等核心工作。调度器划分并管理进程(Process)的状态。例如:

等待分配CPU资源的状态

等待磁盘输入输出完毕的状态

process-flow.png

进程描述符的状态

进程状态 PS Stat 说明
TASK_RUNNING R(Run) 运行状态。只要CPU空闲,随时都可以开始。
TASK_INTERRUPTIBLE S(Sleep) 可中断的等待状态。例如系统睡眠或来自于用户输入的等待等。
TASK_UNINTERRUPTIBLE D(Disk Sleep) 不可中断的等待状态。主要为短时间恢复时的等待状态。例如磁盘输入输出的等待
TASK_STOPPED 响应暂停信号而运行中断的状态。直到恢复(Resume)前都不会被调度
TASK_ZOMBIE Z(Zombie) 僵死状态。虽然子进程已经终止(exit),但父进程尚未执行wait(),因此该进程的资源没有被系统释放
  • TASK_RUNNING正在运行
  • TASK_RUNNING (等待状态,加权换算)
  • TASK_INTERRUPTIBLE(等待状态,加权换算)
  • TASK_UNINTERRUPTIBLE(等待状态,不加权换算)

load average 表示“等待进程的平均数”,除了“TASK_RUNNING正在运行”,其它三个都是等待状态。TASK_INTERRUPTIBLE不被换算。即只换算“虽然需要即刻运行处理,但是无论如何都必须等待”。

load average所描述的负载就是:需要运行处理,但又必需等待队列前的进程处理完成的进程个数。具体来说:要么等待授予CPU运行权限,要么等待磁盘I/O完成。

  • 内核函数:kernei/timer.c的calc-load();
  • 调用周期:每次计时器中断(centos为4ms)

CPU 还是 I/O ?

load average的数字只是表示等待的任务数,仅根据load average并不能判断具体是CPU负载高还是I/O负载高。

CPU密集型程序

I/O密集型程序

Sar (System Activity Reporter)

CPU使用率和I/O等待时间都是在不断变化的,可以通过sar 命令来确认这些指标。该工具包含在sysstat软件包内。

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$ sar
Linux 04/17/16 _x86\_64_ (24 CPU)
00:00:01 CPU %user %nice %system %iowait %steal %idle
00:10:02 all 1.26 0.00 0.55 0.00 0.00 98.19
00:20:01 all 1.58 0.00 1.04 0.00 0.00 97.38
00:30:01 all 1.23 0.00 0.56 0.00 0.00 98.21
00:40:01 all 1.59 0.00 1.01 0.00 0.00 97.40
00:50:01 all 1.35 0.00 0.59 0.00 0.00 98.06
01:00:01 all 1.63 0.00 1.10 0.00 0.00 97.27
01:10:01 all 1.22 0.00 0.54 0.00 0.00 98.24
01:20:01 all 1.68 0.00 1.06 0.00 0.00 97.25
01:30:01 all 1.23 0.00 0.54 0.00 0.00 98.23
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$ sar 1 10
18:54:58 %usr %sys %wio %idle
18:54:59 18 3 0 79
18:55:00 46 14 0 40
18:55:01 38 13 0 49
18:55:02 17 4 0 79
18:55:03 11 4 0 85
18:55:04 12 5 0 83
18:55:05 20 4 0 76
18:55:06 22 3 0 75
18:55:07 21 4 0 75
18:55:08 17 4 0 79

输出参数:

  • %user:用户(一般的应用软件运作模式)CPU资源
  • %system:系统(内核运作)占用CPU资源
  • %iowait:I/O等待率。

进程详细

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$ ps auxw
test 1551 0.2 0.1 6452 4776 ? S 19:25 0:00 Test.pl CTP00004.PRS00034 1 300
test 1553 2.6 0.4 18196 16424 ? S 19:25 0:00 /Test.pl 00001.PRS00034
test 1555 2.6 0.4 18168 16396 ? S 19:25 0:00 /Test.pl 00002.PRS00034
test 1557 2.8 0.4 18132 16432 ? S 19:25 0:00 /Test.pl 00004.PRS00034
test 1606 0.0 0.0 50060 916 ? Sl 19:25 0:00 /bin/PingTest -f CTP00004
test 1612 2.5 0.4 18156 16452 ? S 19:25 0:00 /Test.pl 00014.PRS00034
test 1629 2.1 0.4 18416 16696 ? S 19:25 0:00 /Test.pl 00015.PRS00034
test 2253 2.7 0.3 12868 11160 ? R 19:25 0:00 -w mrtg MRTG\_00027.cfg log
test 2254 3.6 0.3 12864 11184 ? S 19:25 0:00 -w mrtg MRTG\_00028.cfg log
test 2261 2.4 0.2 12640 11004 ? S 19:25 0:00 -w mrtg MRTG\_00030.cfg log

输出参数:

  • %CPU:该进程的CPU使用率
  • %memb:物理内存百分比
  • VSZ、RSS:虚拟/物理内存
  • STAT:进程状态(非常重要)
  • TIME:CPU占用时间

SWAP吞吐

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$sar -W
17:20:01 pswpin/s pswpout/s
17:30:01 0.00 0.00
17:40:01 0.00 0.00
17:50:01 0.00 0.00
18:00:01 0.00 0.00
18:10:01 0.00 0.00
18:20:01 0.00 0.00
18:30:01 0.00 0.00
18:40:01 0.00 0.00
18:50:02 0.00 0.00
19:00:01 0.00 0.00
19:10:02 0.00 0.00
Average: 0.00 0.00

输出参数:

  • pswpin/s:每秒系统换入的页面数
  • pswpout/s:每秒系统换出的页面数

发生频繁的交换时,服务器的吞吐量性能会大幅下降。

vmstat(Report Virtual Memory Statistics)

实时确认CPU使用率及实际的I/O等待时间

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$ vmstat
kthr memory page disk faults cpu
r b w swap free re mf pi po fr de sr s2 s2 s2 s2 in sy cs us sy id
0 0 0 45411448 17973032 140 1470 13 41 33 0 0 -0 -0 -0 -0 2753 313459 4984 16 3 81

解决方案

优化的真正工作是“找出系统瓶颈并加以解决”,我们所能做的就是“充分发挥硬/软件本来的性能,解决可能存在的问题”。例如,同样是I/O问题,我们可以通过增加内存来缓解,也可以调整调度方案来优化(时间换空间),但是更多的情况是,优化应用程序的I/O算法效果更佳。

最后,重温一句经典格言

别臆断,请监控

扩展阅读

电子书《Linux Perf Master》

How Linux Works

动态追踪技术

参考文献

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