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1、Linux 性能测试与分析(1) 1 性能测试简介 性能测试的过程就是找到系统瓶颈的过程。 性能测试(包括分析和调优)的过程就是在操作系统的各个子系统之间取 得平衡的过程。 操作系统的各个子系统包括： CPU Memory IO Network 他们之间高度依赖，互相影响。比如： 1. 频繁的磁盘读写会增加对内存的使用 2. 大量的网络吞吐，一定意味着非常可观的 CPU 利用率 可用内存的减少可能增加大量的swapping，从而使系统负载上升甚至崩溃 2 应用程序类型 性能测试之前，你首先需要判断你的应用程序是属于那种类型的，这可以帮助 你判断哪个子系统可能会成为瓶颈。 通常可分为如下两种：
2、CPU bound 这类程序，cpu往往会处于很高的负载，当系统压力上升时，相 对于磁盘和内存，往往CPU会首先到达瓶颈。Web server，mail server以及 大部分服务类程序都属于这一类。 I/O bound 这类程序，往往会频繁的访问磁盘，从而发送大量的IO请求。 IO类应用程序往往利用cpu发送IO请求之后，便进入sleep状态，从而造成 很高的IOWAIT。数据库类程序，cache服务器往往属于这种类型。 3 CPU 3.1 性能瓶颈 3.1.1 运算性能瓶颈 作为计算机的计算单元，其运算能力方面，可能出现如下瓶颈： 1. 用户态进程CPU占用率很高 2. 系统态(内核态)
3、CPU占用率很高 测试CPU的运算性能，通常是通过计算圆周率来测试CPU的浮点运算能力和稳 定性。据说Pentium CPU的一个运算bug就是通过计算圆周率来发现的。圆周 率的计算方法，通常是计算小数点后104万位，通过比较运算时间来评测CPU 的运算能力。 常用工具： 1. SUPER PI() 2. Wprime 与SuperPI不同的是，可以支持多核CPU的运算速度测试 3. FritzChess 一款国际象棋测试软件，测试每秒钟可运算的步数 突破CPU的运算瓶颈，一般只能靠花钱。比如提高时钟频率，提高L1,L2 cache容量或不断追求新一代的CPU架构： Core - Nehale
4、m(E55x，如r710，dsc1100) - Westmere Sandy Bridge3.1.2 调度性能瓶颈 CPU除了负责计算之外，另一个非常重要的功能就是调度。在调度方面，CPU可 能会出现如下性能瓶颈： 1. Load平均值超过了系统可承受的程度 2. IOWait占比过高，导致Load上升或是引入新的磁盘瓶颈 3. Context Switch过高，导致CPU就像个搬运工一样，频繁在寄存器(CPU Register)和运行队列(run queue)之间奔波 4. 硬中断CPU占比接近于100% 5. 软中断CPU占比接近于100% 超线程 超线程芯片可以使得当前线程在访问内存的间
5、隙，处理器可以使用它的机器周 期去执行另外一个线程。一个超线程的物理CPU可以被kernel看做是两个独立 的CPU。 3.2 典型监控参数 3.2.1 参数含义 Load Load 是指 CPU 所有内核正在处理的任务加上处于等待队列中的进程数之和。处于等待队列(run queue)中的进程包括 TASK_RUNNING 和 TASK_UNINTERRUPTIBLE 两种状态的任务： 处于可运行状态的进程 等待不可中断任务的进程 在一个双核的系统中，如果两个进程正在执行，有四个进程处于run quque当 中，那么load就是6 Nice% 用户进程空间内，通过调用nice或setprior
6、ity系统调用改变过优先级的进程 的CPU占用率 Iowait% CPU等待IO操作的时间 Idle% CPU空闲时间 Intr/s 每秒钟处理的中断数 Hi% 服务于IRQs的时间占比 Si% 服务于Soft IRQs的时间占比 St% 关于st的解释，在IBM的一份文档里，有一段描述： IBMs definition of steal time is actually pretty good: Steal time is the percentage of time a virtual CPU waits for a real CPU while the hypervisor is ser
7、vicing another virtual processor. 3.3 工作原理 为了更好地理解CPU的性能参数，需要了解如下一些概念 3.3.1 进程及进程调度算法 1. 什么是线程 图3：进程和线程的数据结构 1. 2. 进程的状态 可运行状态(TASK_RUNNING) 不可中断的等待状态(TASK_UNINTERRUPTIBLE) 暂停状态(TASK_STOPPED) 跟踪状态(TASK_TRACED) 僵死状态(EXIT_ZOMBIE) 问题 Wait io%包含在idle%当中吗？ 从下面top实例可以看出，wait io%不属于idle%,等IO的过程被叫做 uninterr
8、uptible sleep Cpu1 : 2.7%us, 3.0%sy, 0.0%ni, 3.7%id, 89.7%wa, 0.0%hi, 1.0%si, 0.0%st 从性能测试角度来看，我倾向于这样理解线程： 1. 线程和进程的确不同，因为他们可以共享进程的资源，如地址空间等。因 此在上下文切换的过程中可能会产生较小的性能损耗。 2. 站在调度器(scheduler)的角度来说，线程就是一个进程，或者说是一个轻量 级的进程(Light Weight Process)。Kernel 实际上就是通过轻量级的进程来支持多 线程应用程序的。我们经常用的线程开发库 pthread 就是通过将轻量级进
9、程和 线程关联起来，来实现的。这样既可以实现资源的共享，又可以让每个线程被 调度器独立调度。 2. 进程的状态 可运行状态(TASK_RUNNING) 不可中断的等待状态(TASK_UNINTERRUPTIBLE) 暂停状态(TASK_STOPPED) 跟踪状态(TASK_TRACED) 僵死状态(EXIT_ZOMBIE) 问题 Wait io%包含在idle%当中吗？ 从下面top实例可以看出，wait io%不属于idle%,等IO的过程被叫做 uninterruptible sleep Cpu1 : 2.7%us, 3.0%sy, 0.0%ni, 3.7%id, 89.7%wa, 0.0
10、%hi, 1.0%si, 0.0%st 3.3.4 硬中断 性能测试中关注的中断，主要由自于IO设备所产生，如键盘的一次按键，网卡 的收报等等。 IRQ IO设备所发出的IRQ(Interrupt ReQuest)请求叫做中断请求（可屏蔽中断） 每个能够发出中断的IO设备都有一个IRQ输出线(部分高级前兆网卡，和大部 分万兆网卡都多条IRQ输出线)。每条IRQ输出线和可编程中断控制器 (Programmable Interrupt Controller)引脚相关联。 每个IRQ输出线的中断信号，只能被一个CPU core处理，IRQ线从0开始编号。如何观察IRQ的状态： 问题3：大量的中断，是
11、否会使CPU响应中断成为瓶颈呢？ 答案是一般不会，中断享有最高的优先级，有硬件中断发生时，CPU会立即停 下手中的工作，响应中断，并调用相应中断处理程序。瓶颈一般发生在中断处 理程序。 IRQ硬件中断是否意味着不会出现瓶颈呢？瓶颈有可能出现在中断的服务例程 中，看下面的流程图： IRQ在多处理器上的分发： 遵循对称多处理模型，每个IO中断的处理时间片是相同的，均匀分配。Kernel 通过中断向量表来将中断信号发送到特定的CPU上去。 在必要的时候，Linux 2.6利用kirqd的内核线程来纠正IRQ在CPU上的分配。 kirqd线程周期性的执行扫描每个CPU处理的中断个数，发现不均衡时重新调
12、 整CPU的负载。 下面的案例表明，IRQ在CPU上的分配不够均衡，因为8个CPU，只有4个CPU 有负载： 性能测试中关注的中断，主要由自于 IO 设备所产生，如键盘的一次按键，网卡 的收报等等。IRQ IO 设备所发出的 IRQ(Interrupt ReQuest)请求叫做中断请求（可屏蔽中断）每个能够发出中断的 IO 设备都有一个 IRQ 输出线(部分高级前兆网卡，和大部 分万兆网卡都多条 IRQ 输出线)。每条 IRQ 输出线和可编程中断控制器 (Programmable Interrupt Controller)引脚相关联。每个 IRQ 输出线的中断信号，只能被一个 CPU core
13、 处理，IRQ 线从 0 开始编号。问题3：大量的中断，是否会使CPU响应中断成为瓶颈呢？答案是一般不会，中断享有最高的优先级，有硬件中断发生时，CPU会立即 停下手中的工作，响应中断，并调用相应中断处理程序。瓶颈一般发生在 中断处理程序。IRQ硬件中断是否意味着不会出现瓶颈呢？瓶颈有可能出现在中断的服务例程 中，看下面的流程图：IRQ在多处理器上的分发：遵循对称多处理模型，每个IO中断的处理时间片是相同的，均匀分配。Kernel 通过中断向量表来将中断信号发送到特定的CPU上去。在必要的时候，Linux 2.6利用kirqd的内核线程来纠正IRQ在CPU上的分配。 kirqd线程周期性的执行扫描每个CPU处理的中断个数，发现不均衡时重新调 整CPU的负载。下面的案例表明，IRQ 在 CPU 上的分配不够均衡，因为 8 个 CPU，只有 4 个 CPU 有负载：
