分析系统瓶颈

系统响应变慢，首先得定位大致的问题出在哪里，是IO瓶颈、CPU瓶颈、内存瓶颈还是程序导致的系统问题；

使用top工具能够比较全面的查看我们关注的点:

$top
    top - 09:14:56 up 264 days, 20:56,  1 user,  load average: 0.02, 0.04, 0.00
    Tasks:  87 total,   1 running,  86 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
    Cpu(s):  0.0%us,  0.2%sy,  0.0%ni, 99.7%id,  0.0%wa,  0.0%hi,  0.0%si,  0.2%st
    Mem:    377672k total,   322332k used,    55340k free,    32592k buffers
    Swap:   397308k total,    67192k used,   330116k free,    71900k cached
    PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S %CPU %MEM    TIME+  COMMAND
    1 root      20   0  2856  656  388 S  0.0  0.2   0:49.40 init
    2 root      20   0     0    0    0 S  0.0  0.0   0:00.00 kthreadd
    3 root      20   0     0    0    0 S  0.0  0.0   7:15.20 ksoftirqd/0
    4 root      RT   0     0    0    0 S  0.0  0.0   0:00.00 migration/

进入交互模式后:

• 输入M，进程列表按内存使用大小降序排序，便于我们观察最大内存使用者使用有问题（检测内存泄漏问题）;
• 输入P，进程列表按CPU使用大小降序排序，便于我们观察最耗CPU资源的使用者是否有问题；

top第三行显示当前系统的，其中有两个值很关键:

• %id：空闲CPU时间百分比，如果这个值过低，表明系统CPU存在瓶颈；
• %wa：等待I/O的CPU时间百分比，如果这个值过高，表明IO存在瓶颈；
• 
  

分析内存瓶颈

查看内存是否存在瓶颈，使用top指令看比较麻烦，而free命令更为直观:

[/home/weber#]free
             total       used       free     shared    buffers     cached
Mem:        501820     452028      49792      37064       5056     136732
-/+ buffers/cache:     310240     191580
Swap:            0          0          0
[/home/weber#]top
top - 17:52:17 up 42 days,  7:10,  1 user,  load average: 0.02, 0.02, 0.05
Tasks:  80 total,   1 running,  79 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu(s):  0.0 us,  0.0 sy,  0.0 ni,100.0 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
KiB Mem:    501820 total,   452548 used,    49272 free,     5144 buffers
KiB Swap:        0 total,        0 used,        0 free.   136988 cached Mem

top工具显示了free工具的第一行所有信息，但真实可用的内存，还需要自己计算才知道; 系统实际可用的内存为free工具输出第二行的free+buffer+cached；也就是第三行的free值191580；关于free命令各个值的详情解读，请参考这篇文章 free 查询可用内存 ;

如果是因为缺少内存，系统响应变慢很明显，因为这使得系统不停的做换入换出的工作;

进一步的监视内存使用情况，可使用vmstat工具，实时动态监视操作系统的内存和虚拟内存的动态变化。 参考： vmstat 监视内存使用情况 ;

分析IO瓶颈

如果IO存在性能瓶颈，top工具中的%wa会偏高；

进一步分析使用iostat工具:

/root$iostat -d -x -k 1 1
Linux 2.6.32-279.el6.x86_64 (colin)   07/16/2014      _x86_64_        (4 CPU)

Device:         rrqm/s   wrqm/s     r/s     w/s    rkB/s    wkB/s avgrq-sz avgqu-sz   await  svctm  %util
sda               0.02     7.25    0.04    1.90     0.74    35.47    37.15     0.04   19.13   5.58   1.09
dm-0              0.00     0.00    0.04    3.05     0.28    12.18     8.07     0.65  209.01   1.11   0.34
dm-1              0.00     0.00    0.02    5.82     0.46    23.26     8.13     0.43   74.33   1.30   0.76
dm-2              0.00     0.00    0.00    0.01     0.00     0.02     8.00     0.00    5.41   3.28   0.00

• 如果%iowait的值过高，表示硬盘存在I/O瓶颈。
• 如果 %util 接近 100%，说明产生的I/O请求太多，I/O系统已经满负荷，该磁盘可能存在瓶颈。
• 如果 svctm 比较接近 await，说明 I/O 几乎没有等待时间；
• 如果 await 远大于 svctm，说明I/O 队列太长，io响应太慢，则需要进行必要优化。
• 如果avgqu-sz比较大，也表示有大量io在等待。

更多参数说明请参考 iostat 监视I/O子系统 ;

分析进程调用

通过top等工具发现系统性能问题是由某个进程导致的之后，接下来我们就需要分析这个进程；继续 查询问题在哪；

这里我们有两个好用的工具： pstack和pstrace

pstack用来跟踪进程栈，这个命令在排查进程问题时非常有用，比如我们发现一个服务一直处于work状态（如假死状态，好似死循环），使用这个命令就能轻松定位问题所在；可以在一段时间内，多执行几次pstack，若发现代码栈总是停在同一个位置，那个位置就需要重点关注，很可能就是出问题的地方；

示例：查看bash程序进程栈:

/opt/app/tdev1$ps -fe| grep bash
tdev1   7013  7012  0 19:42 pts/1    00:00:00 -bash
tdev1  11402 11401  0 20:31 pts/2    00:00:00 -bash
tdev1  11474 11402  0 20:32 pts/2    00:00:00 grep bash
/opt/app/tdev1$pstack 7013
#0  0x00000039958c5620 in __read_nocancel () from /lib64/libc.so.6
#1  0x000000000047dafe in rl_getc ()
#2  0x000000000047def6 in rl_read_key ()
#3  0x000000000046d0f5 in readline_internal_char ()
#4  0x000000000046d4e5 in readline ()
#5  0x00000000004213cf in ?? ()
#6  0x000000000041d685 in ?? ()
#7  0x000000000041e89e in ?? ()
#8  0x00000000004218dc in yyparse ()
#9  0x000000000041b507 in parse_command ()
#10 0x000000000041b5c6 in read_command ()
#11 0x000000000041b74e in reader_loop ()
#12 0x000000000041b2aa in main ()

而strace用来跟踪进程中的系统调用；这个工具能够动态的跟踪进程执行时的系统调用和所接收的信号。是一个非常有效的检测、指导和调试工具。系统管理员可以通过该命令容易地解决程序问题。

参考： strace 跟踪进程中的系统调用 ;

优化程序代码

优化自己开发的程序，建议采用以下准则:

1. 二八法则：在任何一组东西中，最重要的只占其中一小部分，约20%，其余80%的尽管是多数，却是次要的；在优化实践中，我们将精力集中在优化那20%最耗时的代码上，整体性能将有显著的提升；这个很好理解。函数A虽然代码量大，但在一次正常执行流程中，只调用了一次。而另一个函数B代码量比A小很多，但被调用了1000次。显然，我们更应关注B的优化。
2. 编完代码，再优化；编码的时候总是考虑最佳性能未必总是好的；在强调最佳性能的编码方式的同时，可能就损失了代码的可读性和开发效率；

gprof使用步骤

1. 用gcc、g++、xlC编译程序时，使用-pg参数，如：g++ -pg -o test.exe test.cpp编译器会自动在目标代码中插入用于性能测试的代码片断，这些代码在程序运行时采集并记录函数的调用关系和调用次数，并记录函数自身执行时间和被调用函数的执行时间。
2. 执行编译后的可执行程序，如：./test.exe。该步骤运行程序的时间会稍慢于正常编译的可执行程序的运行时间。程序运行结束后，会在程序所在路径下生成一个缺省文件名为gmon.out的文件，这个文件就是记录程序运行的性能、调用关系、调用次数等信息的数据文件。
3. 使用gprof命令来分析记录程序运行信息的gmon.out文件，如：gprof test.exe gmon.out则可以在显示器上看到函数调用相关的统计、分析信息。上述信息也可以采用gprof test.exe gmon.out> gprofresult.txt重定向到文本文件以便于后续分析。

关于gprof的使用案例，请参考 [f1] ;

其它工具

调试内存泄漏的工具valgrind，感兴趣的朋友可以google了解；

OProfile: Linux 平台上的一个功能强大的性能分析工具,使用参考 [f2] ;

除了上面介绍的工具，还有一些比较全面的性能分析工具，比如sar（Linux系统上默认不安装，需要手动安装下）； 将sar的常驻监控工具打开后，能够收集比较全面的性能分析数据；

vmstat命令

性能监测与优化

vmstat命令的含义为显示虚拟内存状态（“Virtual Memory Statistics”），但是它可以报告关于进程、内存、I/O等系统整体运行状态。

语法

vmstat(选项)(参数)

选项

-a：显示活动内页；
-f：显示启动后创建的进程总数；
-m：显示slab信息；
-n：头信息仅显示一次；
-s：以表格方式显示事件计数器和内存状态；
-d：报告磁盘状态；
-p：显示指定的硬盘分区状态；
-S：输出信息的单位。

参数

• 事件间隔：状态信息刷新的时间间隔；
• 次数：显示报告的次数。

实例

vmstat 3
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- -----cpu------
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 0  0    320  42188 167332 1534368    0    0     4     7    1    0  0  0 99  0  0
 0  0    320  42188 167332 1534392    0    0     0     0 1002   39  0  0 100  0  0
 0  0    320  42188 167336 1534392    0    0     0    19 1002   44  0  0 100  0  0
 0  0    320  42188 167336 1534392    0    0     0     0 1002   41  0  0 100  0  0
 0  0    320  42188 167336 1534392    0    0     0     0 1002   41  0  0 100  0  0

字段说明：

Procs（进程）

• r: 运行队列中进程数量，这个值也可以判断是否需要增加CPU。（长期大于1）
• b: 等待IO的进程数量。

Memory（内存）

• swpd: 使用虚拟内存大小，如果swpd的值不为0，但是SI，SO的值长期为0，这种情况不会影响系统性能。
• free: 空闲物理内存大小。
• buff: 用作缓冲的内存大小。
• cache: 用作缓存的内存大小，如果cache的值大的时候，说明cache处的文件数多，如果频繁访问到的文件都能被cache处，那么磁盘的读IO bi会非常小。

Swap

• si: 每秒从交换区写到内存的大小，由磁盘调入内存。
• so: 每秒写入交换区的内存大小，由内存调入磁盘。

注意：内存够用的时候，这2个值都是0，如果这2个值长期大于0时，系统性能会受到影响，磁盘IO和CPU资源都会被消耗。有些朋友看到空闲内存（free）很少的或接近于0时，就认为内存不够用了，不能光看这一点，还要结合si和so，如果free很少，但是si和so也很少（大多时候是0），那么不用担心，系统性能这时不会受到影响的。

IO（现在的Linux版本块的大小为1kb）

• bi: 每秒读取的块数
• bo: 每秒写入的块数

注意：随机磁盘读写的时候，这2个值越大（如超出1024k)，能看到CPU在IO等待的值也会越大。

system（系统）

• in: 每秒中断数，包括时钟中断。
• cs: 每秒上下文切换数。

注意：上面2个值越大，会看到由内核消耗的CPU时间会越大。

CPU（以百分比表示）

• us: 用户进程执行时间百分比(user time)

us的值比较高时，说明用户进程消耗的CPU时间多，但是如果长期超50%的使用，那么我们就该考虑优化程序算法或者进行加速。

• sy: 内核系统进程执行时间百分比(system time)

sy的值高时，说明系统内核消耗的CPU资源多，这并不是良性表现，我们应该检查原因。

• wa: IO等待时间百分比

wa的值高时，说明IO等待比较严重，这可能由于磁盘大量作随机访问造成，也有可能磁盘出现瓶颈（块操作）。

• id: 空闲时间百分比

top 查看进程活动状态以及一些系统状况

vmstat 查看系统状态、硬件和系统信息等

iostat 查看CPU 负载，硬盘状况

sar 综合工具，查看系统状况

mpstat 查看多处理器状况

netstat 查看网络状况

iptraf 实时网络状况监测

tcpdump 抓取网络数据包，详细分析

tcptrace 数据包分析工具

netperf 网络带宽工具