61秒，摸透Linux的健康状态！
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2022-10-28 05:44
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操作系统作为所有程序的载体，对应用的性能影响是非常重要的。然而计算机各个组件之间的速度，是非常不均衡的。拿CPU和硬盘的速度来说，比兔子和乌龟的速度差别还要大。
下面将简单的介绍CPU、内存、I/O的一些基本知识，以及一些如何评估它们性能的命令。
1.CPU
首先介绍计算机中最重要的计算组件：中央处理器。一般我们可以通过top命令来观测它的性能。
1.1 top命令
top命令可用于观测CPU的一些运行指标。如图，进入top命令之后，按1键即可看到每核CPU的详细状况。
CPU的使用有多个维度的指标，以下分别说明一下：
us 用户态所占用的CPU百分比。 sy 内核态所占用的CPU百分比。如果这个值过高，需要配合vmstat命令，查看是否是上下文切换是否频繁。 ni 高优先级应用所占用的CPU百分比。 wa 等待I/O设备所占用的CPU百分比。如果这个值非常高，输入输出设备可能存在非常明显的瓶颈。 hi 硬件中断所占用的CPU百分比。 si 软中断所占用的CPU百分比。 st 这个一般发生在虚拟机上，指的是虚拟CPU等待实际CPU时间的百分比。如果这个值过大，则你的宿主机压力可能过大。如果你是云主机，则你的服务商可能存在超卖。 id 空闲CPU百分比。
一般的，我们比较关注空闲CPU的百分比，它可以从整体上体现CPU的利用情况。
1.2 什么是负载
我们还要评估CPU任务执行的排队情况，这些值就是负载(load)。top命令，显示的CPU负载，分别是最近1分钟、5分钟、15分钟的数值。
如图，以单核操作系统为例，将CPU资源抽象成一条单向行驶的马路。则会发生三种情况：
马路上的车只有 4辆，车辆畅通无阻，load大约是0.5。马路上的车有8辆，正好能首尾相接安全通过，此时load大约为1。 马路上的车有12辆，除了在马路上的8辆车，还有4辆等在马路外面，需要排队。此时load大约为1.5。
那load为1代表的是啥？针对这个问题，误解还是比较多的。
很多同学认为，load达到1，系统就到了瓶颈，这不完全正确。load的值和cpu核数息息相关。举例如下：
单核的负载达到1，总load的值约1。 双核的每核负载都达到1，总load约2。 四核的每核负载都达到1，总load约为4。
所以，对于一个load到了10，却是16核的机器，你的系统还远没有达到负载极限。通过uptime命令，同样能够看到负载情况。
1.3 vmstat
要看CPU的繁忙程度，还可以通过vmstat命令。下面是vmstat命令的一些输出信息。
我们比较关注的有下面几列：
b存在于等待队列的内核线程数目，比如等待I/O等。数字过大则cpu太忙。cs代表上下文切换的数量。如果频繁的进行上下文切换，就需要考虑是否是线程数开的过多。si/so显示了交换分区的一些使用情况，交换分区对性能的影响比较大，需要格外关注。
$ vmstat 1
procs ---------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
34 0 0 200889792 73708 591828 0 0 0 5 6 10 96 1 3 0 0
32 0 0 200889920 73708 591860 0 0 0 592 13284 4282 98 1 1 0 0
32 0 0 200890112 73708 591860 0 0 0 0 9501 2154 99 1 0 0 0
32 0 0 200889568 73712 591856 0 0 0 48 11900 2459 99 0 0 0 0
32 0 0 200890208 73712 591860 0 0 0 0 15898 4840 98 1 1 0 0
^C
2.内存
2.1 观测命令
要想了解内存对性能的一些影响，就需要从操作系统层面来看一下内存的分布。
我们在平常写完代码后，比如写了一个C++程序，如果去查看它的汇编，可以看到其中的内存地址，并不是实际的物理内存地址。
那么应用程序所使用的，就是逻辑内存，这个学过计算机组成结构的同学都有了解。
逻辑地址可以映射到物理内存和虚拟内存上。比如你的物理内存是8GB，分配了16GB的SWAP分区，那么应用可用的总内存就是24GB。
从top命令可以看到几列数据，注意方块括起来的三个区域，解释如下：
VIRT 这里就是虚拟内存，一般比较大，不用做过多关注。 RES 我们平常关注的就是这一列的数值，它代表了进程实际占用的内存。平常在做监控时，也主要是监控这个数值。 SHR 指的是共享内存，比如可以复用的一些so文件等。
2.2 CPU缓存
由于CPU核内存之间的速度差异是非常大的，解决方式就是加入高速缓存。其实，这些高速缓存，往往会有多层，如下图。
Java有大部分知识点是围绕多线程的，那是因为，如果一个线程的时间片跨越了多个CPU，那么就会存在同步问题。
在Java中，最典型的和CPU缓存相关的知识点，就是并发编程中，针对Cache line的伪共享（false sharing）问题。
伪共享是指：在这些高速缓存中，是以缓存行为单位进行存储的。哪怕你修改了缓存行中一个很小很小的数据，它都会整个的刷新。所以，当多线程修改一些变量的值时，如果这些变量在同一个缓存行里，就会造成频繁刷新，无意中影响彼此的性能。
通过以下命令即可看到当前操作系统的缓存行大小。
cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index0/coherency_line_size
通过以下命令可以看到不同层次的缓存大小。
[root@localhost ~]# cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index1/size
32K
[root@localhost ~]# cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index2/size
256K
[root@localhost ~]# cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index3/size
20480K
在JDK8以上的版本，通过开启参数-XX:-RestrictContended，就可以使用注解@sun.misc.Contended进行补齐，来避免伪共享的问题。在并发优化中，我们再详细讲解。
2.3 HugePage
回头看我们最长的那副图，上面有一个叫做TLB的组件，它的速度虽然高，但容量也是有限的。这就意味着，如果物理内存很大，那么映射表的条目将会非常多，会影响CPU的检索效率。
默认内存是以4K的page来管理的。如图，为了减少映射表的条目，可采取的办法只有增加页的尺寸。像这种将Page Size加大的技术，就是Huge Page。
HugePage有一些副作用，比如竞争加剧，Redis还有专门的研究（https://redis.io/topics/latency） ，但在一些大内存的机器上，开启后会一定程度上增加性能。
2.4 预先加载
另外，一些程序的默认行为，也会对性能有所影响。比如JVM的-XX:+AlwaysPreTouch参数。默认情况下，JVM虽然配置了Xmx、Xms等参数，但它的内存在真正用到时，才会分配。
但如果加上这个参数，JVM就会在启动的时候，把所有的内存预先分配。这样，启动时虽然慢了些，但运行时的性能会增加。
3.I/O
3.1 观测命令
I/O设备可能是计算机里速度最差的组件了。它指的不仅仅是硬盘，还包括外围的所有设备。
硬盘有多慢呢？我们不去探究不同设备的实现细节，直接看它的写入速度（数据未经过严格测试，仅作参考）。
可以看到普通磁盘的随机写和顺序写相差是非常大的。而随机写完全和cpu内存不在一个数量级。
缓冲区依然是解决速度差异的唯一工具，在极端情况比如断电等，就产生了太多的不确定性。这些缓冲区，都容易丢。
最能体现I/O繁忙程度的，就是top命令和vmstat命令中的wa%。如果你的应用，写了大量的日志，I/O wait就可能非常的高。
对于硬盘来说，可以使用iostat命令来查看具体的硬件使用情况。只要%util超过了80%，你的系统基本上就跑不动了。
详细介绍如下：
%util 最重要的判断参数。一般地，如果该参数是100%表示设备已经接近满负荷运行了 Device 表示发生在哪块硬盘。如果你有多快，则会显示多行 avgqu-sz 这个值是请求队列的饱和度，也就是平均请求队列的长度。毫无疑问，队列长度越短越好。 await 响应时间应该低于5ms，如果大于10ms就比较大了。这个时间包括了队列时间和服务时间 svctm 表示平均每次设备 I/O操作的服务时间。如果svctm的值与await很接近，表示几乎没有I/O等待，磁盘性能很好，如果await的值远高于svctm的值，则表示I/O队列等待太长，系统上运行的应用程序将变慢。
3.2 零拷贝
kafka比较快的一个原因就是使用了zero copy。所谓的Zero copy，就是在操作数据时, 不需要将数据buffer从一个内存区域拷贝到另一个内存区域。因为少了一次内存的拷贝, CPU的效率就得到提升。
我们来看一下它们之间的区别：
要想将一个文件的内容通过socket发送出去，传统的方式需要经过以下步骤：
将文件内容拷贝到内核空间。 将内核空间的内容拷贝到用户空间内存，比如Java应用。 用户空间将内容写入到内核空间的缓存中。 socket读取内核缓存中的内容，发送出去。
零拷贝又多种模式，我们拿sendfile来说明。如上图，在内核的支持下，零拷贝少了一个步骤，那就是内核缓存向用户空间的拷贝。即节省了内存，也节省了CPU的调度时间，效率很高。
4.网络
除了iotop、iostat这些命令外，sar命令可以方便的看到网络运行状况，下面是一个简单的示例，用于描述入网流量和出网流量。
$ sar -n DEV 1
Linux 3.13.0-49-generic (titanclusters-xxxxx) 07/14/2015 _x86_64_ (32 CPU)
12:16:48 AM IFACE rxpck/s txpck/s rxkB/s txkB/s rxcmp/s txcmp/s rxmcst/s %ifutil
12:16:49 AM eth0 18763.00 5032.00 20686.42 478.30 0.00 0.00 0.00 0.00
12:16:49 AM lo 14.00 14.00 1.36 1.36 0.00 0.00 0.00 0.00
12:16:49 AM docker0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
12:16:49 AM IFACE rxpck/s txpck/s rxkB/s txkB/s rxcmp/s txcmp/s rxmcst/s %ifutil
12:16:50 AM eth0 19763.00 5101.00 21999.10 482.56 0.00 0.00 0.00 0.00
12:16:50 AM lo 20.00 20.00 3.25 3.25 0.00 0.00 0.00 0.00
12:16:50 AM docker0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
^C
当然，我们可以选择性的只看TCP的一些状态。
$ sar -n TCP,ETCP 1
Linux 3.13.0-49-generic (titanclusters-xxxxx) 07/14/2015 _x86_64_ (32 CPU)
12:17:19 AM active/s passive/s iseg/s oseg/s
12:17:20 AM 1.00 0.00 10233.00 18846.00
12:17:19 AM atmptf/s estres/s retrans/s isegerr/s orsts/s
12:17:20 AM 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
12:17:20 AM active/s passive/s iseg/s oseg/s
12:17:21 AM 1.00 0.00 8359.00 6039.00
12:17:20 AM atmptf/s estres/s retrans/s isegerr/s orsts/s
12:17:21 AM 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
^C
5.End
不要寄希望于这些指标，能够立刻帮助我们定位性能问题。这些工具，只能够帮我们大体猜测发生问题的地方，它对性能问题的定位，只是起到辅助作用。想要分析这些bottleneck，需要收集更多的信息。
想要获取更多的性能数据，就不得不借助更加专业的工具，比如基于eBPF的BCC工具，这些牛x的工具我们将在其他文章里展开。读完本文，希望你能够快速的了解Linux的运行状态，对你的系统多一些掌控。
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