Linux调优指南-Toy模板网

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更多相关知识可以阅读：
https://www.yuque.com/treblez/qksu6c/yxl59pkvczqot9us
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本文不会讲解linux的基础知识。

CPU

工具大图

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观测时优先使用top、vmstat和pidstat三个工具：

设置调度器

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这几个调度类的优先级如下：Deadline > Realtime > Fair
如果你的某些任务对延迟容忍度很低，比如说在嵌入式系统中就有很多这类任务，那就可以考虑将你的任务设置为实时任务，比如将它设置为 SCHED_FIFO 的任务：$ chrt -f -p 1 1327

使用perf制作火焰图

这里使用FlameGraph这个库（https://github.com/brendangregg/FlameGraph）进行火焰图的绘制
设置采样率
export CPUPROFILE_FREQUENCY=4000
export PATH=$PATH:path-to-FlameGraph
采样
sudo perf record -a -g -F99 --call-graph dwarf -p 51568
sudo perf script > perf.script
sudo stackcollapse-perf.pl perf.script > workrun.floded
sudo flamegraph.pl workrun.floded > workrun.svg

观测cpu指标

top命令

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使用perf观测 CPU Utilization、cycles 和 IPC 第一种常见用法是 perf top，类似于 top，它能够实时显示占用 CPU 时钟最多的函数或者指令，因此可以用来查找热点函数。第二种常见用法，也就是 perf record 和 perf report。 perf top 虽然实时展示了系统的性能信息，但它的缺点是并不保存数据，也就无法用于离线或者后续的分析。而 perf record 则提供了保存数据的功能，保存后的数据，需要你用 perf report 解析展示。

perf top的含义：

第一列 Overhead ，是该符号的性能事件在所有采样中的比例，用百分比来表示。
第二列 Shared ，是该函数或指令所在的动态共享对象（Dynamic Shared Object），如内核、进程名、动态链接库名、内核模块名等。
第三列 Object ，是动态共享对象的类型。比如 [.] 表示用户空间的可执行程序、或者动态链接库，而 [k] 则表示内核空间。
最后一列 Symbol 是符号名，也就是函数名。当函数名未知时，用十六进制的地址来表示。

uptime 检测平均负载。平均负载是指单位时间内，处于可运行状态和不可中断状态的进程数。所以，它不仅包括了正在使用 CPU 的进程，还包括等待 CPU 和等待 I/O 的进程。
stress stress 是一个 Linux 系统压力测试工具，这里我们用作异常进程模拟平均负载升高的场景。而 sysstat 包含了常用的 Linux 性能工具，用来监控和分析系统的性能。这个包有两个常用命令 mpstat 和 pidstat。mpstat 是一个常用的多核 CPU 性能分析工具，用来实时查看每个 CPU 的性能指标，以及所有 CPU 的平均指标。pidstat 是一个常用的进程性能分析工具，用来实时查看进程的 CPU、内存、I/O 以及上下文切换等性能指标。
使用pidstat 分析每个进程 CPU 使用情况，上下文切换的情况。自愿上下文切换变多了，说明进程都在等待资源，有可能发生了 I/O 等其他问题；非自愿上下文切换变多了，说明进程都在被强制调度，也就是都在争抢 CPU，说明 CPU 的确成了瓶颈；中断次数变多了，说明 CPU 被中断处理程序占用，还需要通过查看 /proc/interrupts 文件来分析具体的中断类型。

分析系统调用

strace 可以跟踪进程的系统调用、特定的系统调用以及系统调用的执行时间。很多时候，我们通过系统调用的执行时间，就能判断出业务延迟发生在哪里。
比如我们想要跟踪一个多线程程序的系统调用情况，那就可以这样使用 strace：

$ strace -T -tt -ff -p pid -o strace.out

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排查僵尸进程

使用pstree找出僵尸进程的父进程

IO

基础知识

为了方便管理，Linux 文件系统为每个文件都分配两个数据结构，索引节点（index node）和目录项（directory entry）。
它们主要用来记录文件的元信息和目录结构。
索引节点，简称为 inode，用来记录文件的元数据，比如 inode 编号、文件大小、访问权限、修改日期、数据的位置等。索引节点和文件一一对应，它跟文件内容一样，都会被持久化存储到磁盘中。所以记住，索引节点同样占用磁盘空间。
目录项，简称为 dentry，用来记录文件的名字、索引节点指针以及与其他目录项的关联关系。多个关联的目录项，就构成了文件系统的目录结构。不过，不同于索引节点，目录项是由内核维护的一个内存数据结构，所以通常也被叫做目录项缓存。
换句话说，索引节点是每个文件的唯一标志，而目录项维护的正是文件系统的树状结构。目录项和索引节点的关系是多对一，你可以简单理解为，一个文件可以有多个别名。
举个例子，通过硬链接为文件创建的别名，就会对应不同的目录项，不过这些目录项本质上还是链接同一个文件，所以，它们的索引节点相同。
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第一，**目录项本身就是一个内存缓存，而索引节点则是存储在磁盘中的数据。**在前面的 Buffer 和 Cache 原理中，我曾经提到过，为了协调慢速磁盘与快速 CPU 的性能差异，文件内容会缓存到页缓存 Cache 中。那么，你应该想到，这些索引节点自然也会缓存到内存中，加速文件的访问。
第二，磁盘在执行文件系统格式化时，会被分成三个存储区域，超级块、索引节点区和数据块区。
其中，超级块，存储整个文件系统的状态。
索引节点区，用来存储索引节点。
数据块区，则用来存储文件数据。

调度算法
CFQ（Completely Fair Scheduler），也被称为完全公平调度器，是现在很多发行版的默认 I/O 调度器，它为每个进程维护了一个 I/O 调度队列，并按照时间片来均匀分布每个进程的 I/O 请求。

观察io情况

可以使用dstat观察io和cpu情况
使用iostat观察io情况

观测软中断

**sar **
sar可以用来查看系统的网络收发情况，还有一个好处是，不仅可以观察网络收发的吞吐量（BPS，每秒收发的字节数），还可以观察网络收发的 PPS，即每秒收发的网络帧数。
/proc/softirqs
软中断同样可以使用tmpfs中的/proc/softirqs来观测：

$ watch -d cat /proc/softirqs
CPU0 CPU1
HI: 0 0
TIMER: 1083906 2368646
NET_TX: 53 9
NET_RX: 1550643 1916776
BLOCK: 0 0
IRQ_POLL: 0 0
TASKLET: 333637 3930
SCHED: 963675 2293171
HRTIMER: 0 0
RCU: 1542111 1590625

这几个指标分别是：TIMER（定时中断）、NET_RX（网络接收）、SCHED（内核调度）、RCU（RCU 锁）

内存

基础知识

Linux 用的正是四级页表来管理内存页，如下图所示，虚拟地址被分为 5 个部分，前 4 个表项用于选择页，而最后一个索引表示页内偏移。
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再看大页，顾名思义，就是比普通页更大的内存块，常见的大小有 2MB 和 1GB。大页通常用在使用大量内存的进程上，比如 Oracle、DPDK 等。

OOM（Out of Memory），其实是内核的一种保护机制。
它监控进程的内存使用情况，并且使用 oom_score 为每个进程的内存使用情况进行评分：
一个进程消耗的内存越大，oom_score 就越大；一个进程运行占用的 CPU 越多，oom_score 就越小。
这样，进程的 oom_score 越大，代表消耗的内存越多，也就越容易被 OOM 杀死，从而可以更好保护系统。
当然，为了实际工作的需要，管理员可以通过 /proc 文件系统，手动设置进程的 oom_adj ，从而调整进程的 oom_score。
oom_adj 的范围是 [-17, 15]，数值越大，表示进程越容易被 OOM 杀死；数值越小，表示进程越不容易被 OOM 杀死，其中 -17 表示禁止 OOM。
比如用下面的命令，你就可以把 sshd 进程的 oom_adj 调小为 -16，这样， sshd 进程就不容易被 OOM 杀死。

echo -16 > /proc/$(pidof sshd)/oom_adj

观测内存占用

page cache由mmap io和buffered io产生，由内核管理。
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在 Linux 上直接查看 Page Cache 的方式有很多，包括** /proc/meminfo、free 、/proc/vmstat **命令等，它们的内容其实是一致的。
公式1：Buffers + Cached + SwapCached = Active(file) + Inactive(file) + Shmem + SwapCached

SwapCached 是在打开了 Swap 分区后，把 Inactive(anon)+Active(anon) 这两项里的匿名页给交换到磁盘（swap out），然后再读入到内存（swap in）后分配的内存。
Page Cache 中的 Shmem 是指匿名共享映射这种方式分配的内存（free 命令中 shared 这一项），比如 tmpfs（临时文件系统[它是一种内存文件系统，只存在于内存中，它无需应用程序去申请和释放内存，而是操作系统自动来规划好一部分空间，应用程序只需要往这里面写入数据就可以了，这样会很方便]）、Slab（高速缓存）、KernelStack（内核栈）和 VmallocUsed（内核通过 vmalloc 申请的内存）这些都是内核分配的，而不是应用程序mmap产生的内存。

公式2：free命令中的buff/cache = Buffers + Cached + SReclaimable

SReclaimable 是指可以被回收的内核内存，包括 dentry 和 inode 等。
VFS有四个主要对象：超级块对象，对应打开的文件系统；索引节点对象，对应一个具体文件；目录项对象，代表一个路径；文件对象，代表进程打开的文件。可能占用内存较大并且可以被回收的就是索引节点对象inode和目录项对象dentry。

定位内存问题

观察vmstat指标

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使用tracepoint

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#首先来使能compcation相关的一些tracepoing
$ echo 1 >
/sys/kernel/debug/tracing/events/compaction/mm_compaction_begin/enable
$ echo 1 >
/sys/kernel/debug/tracing/events/compaction/mm_compaction_end/enable 

#然后来读取信息，当compaction事件触发后就会有信息输出
$ cat /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe
           <...>-49355 [037] .... 1578020.975159: mm_compaction_begin: 
zone_start=0x2080000 migrate_pfn=0x2080000 free_pfn=0x3fe5800 
zone_end=0x4080000, mode=async
           <...>-49355 [037] .N.. 1578020.992136: mm_compaction_end: 
zone_start=0x2080000 migrate_pfn=0x208f420 free_pfn=0x3f4b720 
zone_end=0x4080000, mode=async status=contended

观测脏页和内存回收行为

使用vmstat观察脏页数量

$ cat /proc/vmstat | egrep "dirty|writeback"
    nr_dirty 40
    nr_writeback 2

内存回收流程
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观察 Page Cache 直接回收和后台回收最简单方便的方式是使用 sar：

$ sar -B 1
02:14:01 PM  pgpgin/s pgpgout/s   fault/s  majflt/s  pgfree/s pgscank/s pgscand/s pgsteal/s    %vmeff


02:14:01 PM      0.14    841.53 106745.40      0.00  41936.13      0.00      0.00      0.00      0.00
02:15:01 PM      5.84    840.97  86713.56      0.00  43612.15    717.81      0.00    717.66     99.98
02:16:01 PM     95.02    816.53 100707.84      0.13  46525.81   3557.90      0.00   3556.14     99.95
02:17:01 PM     10.56    901.38 122726.31      0.27  54936.13   8791.40      0.00   8790.17     99.99
02:18:01 PM    108.14    306.69  96519.75      1.15  67410.50  14315.98     31.48  14319.38     99.80
02:19:01 PM      5.97    489.67  88026.03      0.18  48526.07   1061.53      0.00   1061.42     99.99

下面是这些指标的具体含义：

pgscank/s : kswapd(后台回收线程) 每秒扫描的 page 个数。
pgscand/s: Application 在内存申请过程中每秒直接扫描的 page 个数。
pgsteal/s: 扫描的 page 中每秒被回收的个数。
%vmeff: pgsteal/(pgscank+pgscand), 回收效率，越接近 100 说明系统越安全，越接近 0 说明系统内存压力越大。

加快内存页回收

内存页回收的原理
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调整内存水位
当内存水位低于 watermark low 时，就会唤醒 kswapd 进行后台回收，然后 kswapd 会一直回收到 watermark high。
我们可以增大 min_free_kbytes 这个配置选项来及早地触发后台回收，该选项最终控制的是内存回收水位，对于大于等于 128G 的系统而言，将 min_free_kbytes 设置为 4G 比较合理，这是我们在处理很多这种问题时总结出来的一个经验值，既不造成较多的内存浪费，又能避免掉绝大多数的直接内存回收。
该值的设置和总的物理内存并没有一个严格对应的关系，我们在前面也说过，如果配置不当会引起一些副作用，所以在调整该值之前，我的建议是：你可以渐进式地增大该值，比如先调整为 1G，观察 sar -B 中 pgscand 是否还有不为 0 的情况；如果存在不为 0 的情况，继续增加到 2G，再次观察是否还有不为 0 的情况来决定是否增大，以此类推。
调整脏页的个数
可以通过调小如下设置来将系统脏页个数控制在一个合理范围:

vm.dirty_background_bytes = 0
vm.dirty_background_ratio = 10
vm.dirty_bytes = 0
vm.dirty_expire_centisecs = 3000
vm.dirty_ratio = 20

调整这些配置项有利有弊，调大这些值会导致脏页的积压，但是同时也可能减少了 I/O 的次数，从而提升单次刷盘的效率；调小这些值可以减少脏页的积压，但是同时也增加了 I/O 的次数，降低了 I/O 的效率。

手动回收slab

slab中很大一部分数据是inode：
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内核提供了如下方法来释放slab：

这里注意inode回收的副作用在于对应文件的radix tree中的page cache也会被回收掉，为了避免这种情况，对于重要的数据，可以通过 mlock(2) 来保护它，防止被回收以及被 drop；对于不重要的数据（比如日志），那可以通过 madvise(2) 告诉内核来立即释放这些 Page Cache。

观察进程内存

通过top观察整个进程的内存占用

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通过pmap观察线性地址空间分配

$  pmap -x `pidof sshd`
Address           Kbytes     RSS   Dirty Mode  Mapping 
000055e798e1d000     768     652       0 r-x-- sshd
000055e7990dc000      16      16      16 r---- sshd
000055e7990e0000       4       4       4 rw--- sshd
000055e7990e1000      40      40      40 rw---   [ anon ]
...
00007f189613a000    1800    1624       0 r-x-- libc-2.17.so
00007f18962fc000    2048       0       0 ----- libc-2.17.so
00007f18964fc000      16      16      16 r---- libc-2.17.so
00007f1896500000       8       8       8 rw--- libc-2.17.so
...
00007ffd9d30f000     132      40      40 rw---   [ stack ]
...

Mapping，用来表示文件映射中占用内存的文件，比如 sshd 这个可执行文件，或者堆[heap]，或者栈[stack]，或者其他，等等。
Mode，它是该内存的权限，比如，“r-x”是可读可执行，它往往是代码段 (Text Segment)；“rw-”是可读可写，这部分往往是数据段 (Data Segment)；“r–”是只读，这往往是数据段中的只读部分。
Address、Kbytes、RSS、Dirty，Address 和 Kbytes 分别表示起始地址和虚拟内存的大小，RSS（Resident Set Size）则表示虚拟内存中已经分配的物理内存的大小，Dirty 则表示内存中数据未同步到磁盘的字节数。