系统性能分析

目录

• CPU
  • 平均负载
  • 使用率
  • CPU 上下文切换
  • 进程状态
  • 软中断
  • 性能分析相关命令
  • 性能测试相关工具
• 内存
• 生产环境性能问题分析
  • tbb concurrent queue 的无限循环导致 CPU 使用瞬间打满
  • 重构后的 本地缓存 使用 CPU 过高
  • CPU 的上下文切换，调整合适的线程数量
  • usleep 3 并不准确
• 程序性能测试工具
  • vmstat
  • 查看缺页中断
  • 查看进程运行在哪些CPU内核上
  • 查看内存泄露
  • strace
  • pstack pid
  • gprof

CPU

平均负载

Load Average，简单理解它是指单位时间内，系统处于可运行状态和不可中断状态的平均进程数，即平均活跃进程数。因此理论上最理想情况是逻辑 CPU 核心数量

• 可运行状态进程：正在使用 CPU 或者正在等待 CPU 的进程，即 R 状态
• 不可中断状态进程：正处于内核态关键流程中的进程，这些流程是不可打断的，如等待磁盘 IO，即 D 状态

简单举例如下：

CPU 密集型进程，CPU 使用率 与 平均负载 都会升高
I/O 密集型进程，等待 I/O 导致平均负载升高，CPU 使用率不一定很高
大量等待 CPU 调度的进程，平均负载 与 CPU 使用率 都会升高

使用率

• usr CPU 使用率：CPU 在用户态运行的时间百分比，usr CPU 使用率高说明有应用程序比较繁忙
• sys CPU 使用率：CPU 在内核态运行的时间百分比(不包括中断)
• wait IO CPU 使用率：CPU 在等待 IO 的时间百分比，iowait高通常说明系统与硬件设备的 IO 交互时间较长
• 硬中断、软中断 CPU 使用率：内核调用硬中断、软中断处理程序的时间百分比
• 虚拟化环境中会用到的窃取 CPU 使用率(steal)和客户 CPU 使用率(guest)，分别表示被其他虚拟机占用的 CPU 时间百分比，和运行客户虚拟机的 CPU 时间百分比

CPU 上下文切换

每个任务运行前，CPU 都需要知道任务从哪里加载和运行，即需要系统帮它设置好 CPU 寄存器和程序计数器(PC)，它们都是 CPU 在运行任何任务前必须依赖的环境，因此也被叫做 CPU 上下文

CPU 上下文切换即先把前一个任务的 CPU 上下文保存起来(在内核中)，然后加载新任务的上下文，最后跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。切换操作同样要运行在 CPU 上(sys CPU)

• 特权模式切换：进程通过调用系统调用完成从用户态切换到内核态的运行，首先保存用户态 CPU 上下文，然后加载内核态 CPU 上下文，最后跳转到内核态运行内核任务；系统调用结束后，首先恢复原来保存的上下文，然后跳转到用户态，继续运行

• 进程上下文切换：进程是由内核管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态)。进程的上下文不仅包括内核堆栈、寄存器等内核空间的状态，还包括虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源

  • 性能问题：
    - 切换带来的一系列操作占用 CPU
    - 虚拟内存更新后，TLB(虚拟内存到物理内存的映射缓存)被刷新，内存访问变慢
  • 切换时机：
    - 公平调度
    - 系统资源不足，挂起需要资源的进程
    - 进程主动挂起自身，如调用sleep
    - 发生硬件中断时，CPU 上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序(不涉及进程用户态资源的保存与恢复)

• 线程上下文切换：线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。内核中的任务调度的对象是线程。同一进程内线程的上下文切换包括了线程的私有数据、栈、寄存器等，虚拟内存和全局变量等资源是不需要保存与恢复的

• 中断上下文切换：对同一个 CPU 来说，中断处理比进程拥有更高的优先级。如上所述会引起进程上下文切换

进程状态

• R，Running or Runnable
• D，Dist Sleep，Uninterruptible Sleep
• Z，Zombie
• S，Interruptible Sleep
• I，Idle
• T/t，Stopped or Traced，暂时或追踪
• s，一个会话的领导进程
  • 会话：指共享同一个控制终端的一个中多个进程组，如打开一个控制终端(TTY)就对应一个会话
• +，表示前台进程组
  • 进程组：一组相关联的进程，如每个子进程都是父进程所在组的成员

软中断

Linux 将中断处理过程分两部分，第一部分快速处理中断，它在中断禁止模式下运行(打断 CPU 正在执行的任务，立即执行中断处理程序)，主要处理跟硬件紧密相关的或时间敏感的工作，即硬中断；第二部分用来延迟处理上半部未完成的工作，即软中断，通常以内核线程的方式运行(由内核触发)，每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，名字是 ksoftirqd/CPU编号。发软中断事件频率过高时，内核线程也会因为 CPU 使用率过高而导致软中断处理不及时，进而引发网络收发延迟、调度缓慢等性能问题

例如在第一部分把网卡数据读到内存中，然后更新硬件寄存器状态表示数据读取完成，最后发送一个软中断信号；在第二部分接收到软中断信号并被唤醒后，需要从内存中找到网络数据，再按照网络协议栈，对数据进行逐层解析和处理，直到把它送给应用程序

性能分析相关命令

• top/uptime：可以观察当前平均负载情况
  • %iowait，等待 IO 的 CPU 时间百分比
• htop：top增强版
• atop：CPU、内存、磁盘和网络等各种资源的全面监控
• mpstat：实时查看每个 CPU 的性能指标以及所有 CPU 的平均指标
• pidstat：实时查看进程的 CPU、内存、IO 以及上下文切换等性能指标
  • pidstat -u CPU指标
  • pidstat -d 展示统计数据
  • pidstat -wt -u -p PID 1：查看某个进程的线程上下文切换情况
    • cswch, voluntary context switches，每秒自愿上下文切换次数，指进程无法获取所需资源导致的上下文切换
    • nvcswch, non voluntary context switches，每秒非自愿上下文切换次数，指进程由于时间片已到等原因，被系统强制调度而发生的上下文切换
    • %wait，进程等待 CPU 的时间百分比
• dstat：可以同时查看 CPU 和 I/O 两种资源的使用情况
• pstree
• vmstat：主要用来分析系统的内存使用情况，也常用来分析 CPU 总体上下文切换的中断的次数
  • cs, context switch，每秒上下文切换次数
  • in, interrrupt，每秒中断次数
  • r, Running or Runnable，就绪队列长度
  • b, Blocked，不可中断睡眠状态进程数
• perf
  • perf top -g -p PID：查找热点函数，实时显示占用 CPU 时钟最多的函数或指令
  • perf record ; perf report
• /proc/softirqs 软中断运行情况（系统运行以来的累积次数）
  • watch -d cat ...
• /proc/interrupts 硬中断运行情况
• sar：系统活动报告工具，实时查看系统当前活动，也可以配置保存和报告历史统计数据
  • sar -n DEV 1，显示网络收发报告
    • rxpck/s、txpck/s 表示每秒接收、发送网络帧数，即 PPS
    • rxkB/s、txKB/s 表示每秒接收、发送kB数，即 BPS

性能测试相关工具

待补充

内存

生产环境性能问题分析

tbb concurrent queue 的无限循环导致 CPU 使用瞬间打满

重构后的 本地缓存 使用 CPU 过高

CPU 的上下文切换，调整合适的线程数量

usleep 3 并不准确

程序性能测试工具

程序处理请求过程中，根据监控发现latency会产生周期性的峰值。因此尝试了多种性能测试工具，记录如下。

vmstat

• 参考 vmstat命令
• vmstat -at 1 | tee vmstat.log

查看缺页中断

• 参考
  • linux 虚拟内存管理的核心概念
  • Linux进程分配内存的两种方式--brk() 和mmap()
• watch -n 1 -d 'ps -o majflt,minflt -p pid
  • 其中 majflt 与 minflt 的不同是， majflt 表示需要读写磁盘，可能是内存对应页面在磁盘中需要 load 到物理内存中，也可能是此时物理内存不足，需要淘汰部分物理页面至磁盘中

查看进程运行在哪些CPU内核上

• 参考
  • 如何知道进程运行在哪个 CPU 内核上
  • top-史上最详细解释
  • linux top命令VIRT,RES,SHR,DATA的含义
• ps -o pid,psr,comm -p pid
  • psr列
• taskset -a -p -c 0-30 pid
  • 设置pid进程运行在0~30核上
• top -H -d 1 -p pid
  • 查看pid进程的线程
  • 按f，选择需要显示的列
  • top命令后按1可显示CPU列表，shift+p排序

查看内存泄露

• valgrind

  • 参考 valgrind详解与使用实例
  • valgrind —leak-check-full --show-leak-kinds=all --log-file=“valgrind.log"

• sanitize

  • 参考https://github.com/google/sanitizers/wiki/AddressSanitizerLeakSanitizer
  • 比valgrind对程序性能影响更小，但需要GCC 4.8以上或使用clang编译

strace

• 参考 强大的strace命令用法详解
• strace -cp pid -f
  • 统计pid进程所有系统调用的耗时占比

pstack pid

• 查看线程栈

• 分析死锁原因

  • 使用pstack可以打印出各线程栈信息，基本上可以确定哪些线程在block状态
  • gdb attach pid
    • info thread
      • 打印所有线程信息
    • thread pid
      • 切换到block住的thread
    • p pthread_mutex_
      • 查看互斥锁的__owner是哪个线程

• 参考

  • 一个 Linux 上分析死锁的简单方法

gprof

• 安装graphviz sudo yum install graphviz
• 下载gprof2dot.py
• gprof -b ./docFeatureServer gmon.out > report.txt
• python ./gprof2dot.py -n0 -e0 -s -w report.txt > report.do
• dot ./report.dot -T svg -o report.svg
• 参考
  • Linux C++程序进行性能分析工具gprof使用入门
  • https://pypi.org/project/gprof2dot/
  • https://github.com/jrfonseca/gprof2dot
  • https://www.math.utah.edu/docs/info/gprof_5.html