Linux性能調(diào)優(yōu)的優(yōu)化思路

Linux操作系統(tǒng)是一個開源產(chǎn)品，也是一個開源軟件的實踐和應(yīng)用平臺，在這個平臺下有無數(shù)的開源軟件支撐，我們常見的有apache、tomcat、nginx、mysql、php等等，開源軟件的最大理念就是自由、開放，那么Linux作為一個開源平臺，最終要實現(xiàn)的是通過這些開源軟件的支持，以低廉的成本，達到應(yīng)用最有的性能。因此，談到性能問題，主要實現(xiàn)的是Linux系統(tǒng)和應(yīng)用程序的最佳結(jié)合。

博文大綱：
一、性能問題綜述
二、影響Linux性能的因素
三、分析系統(tǒng)性能設(shè)計的人員
四、調(diào)優(yōu)總結(jié)

一、性能問題綜述

系統(tǒng)的性能是指操作系統(tǒng)完成任務(wù)的有效性、穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。Linux系統(tǒng)管理員會經(jīng)常遇到系統(tǒng)不穩(wěn)定、響應(yīng)速度慢等問題，例如在Linux上搭建了一個web服務(wù)，經(jīng)常會出現(xiàn)網(wǎng)頁打不開、打開速度慢等現(xiàn)象，而遇到這些問題，就會有人抱怨Linux系統(tǒng)不好，其實這些都是表面現(xiàn)象。操作系統(tǒng)完成一個任務(wù)時，與系統(tǒng)自身設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)拓補結(jié)構(gòu)、路由設(shè)備、路由策略、接入設(shè)備、物理線路等多個方面都緊密相關(guān)，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會影響整個系統(tǒng)的性能。因此當Linux應(yīng)用出現(xiàn)問題是，應(yīng)當從應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)、服務(wù)器硬件、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等方面綜合排查，定位問題出現(xiàn)在那個部分，然后集中解決。

在應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)、服務(wù)器硬件、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等方面。影響性能最大的是應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)兩個方面，因為這兩個方面出現(xiàn)的問題不易察覺，隱蔽性很強。而硬件、網(wǎng)絡(luò)方面只要出現(xiàn)問題，一般都能馬上定位。本次博文主要介紹操作系統(tǒng)方面的性能調(diào)優(yōu)思路，應(yīng)用程序方面需要具體問題具體對待。

以下從影響Linux性能的因素、分析性能設(shè)計的人員、系統(tǒng)性能優(yōu)化工具、系統(tǒng)性能評價標準四個方面介紹優(yōu)化Linux的一般思路和方法。

二、影響Linux性能的因素

1）系統(tǒng)硬件資源

1）CPU

CPU是操作系統(tǒng)穩(wěn)定運行的根本，CPU的速度與性能在很大程度上決定了系統(tǒng)整體的性能。因此，CPU數(shù)量越多、主頻越高，服務(wù)器性能也就相對較好。但試試并非完全如此。

目前在大部分CPU在同一時間內(nèi)只能運行一個線程，超線程的處理器可以在同一時間運行多個線程。因此，可以利用處理器的超線程特性來提高系統(tǒng)性能。在Linux系統(tǒng)下，只有運行SMP內(nèi)核才能支持超線程，但是，安裝的CPU數(shù)量越多，從超線程獲得的性能方面的提高就越少。另外，Linux內(nèi)核會把多核的處理器當作多個單獨的CPU來識別，例如：兩個4核的CPU，在Linux系統(tǒng)下會被當做8個單核的CPU。但從性能角度來講，兩個4核的CPU和8個單核的CPU并不完全等價，根據(jù)權(quán)威部門得出的測試結(jié)論，前者的整體性能要比后者低25%~30%。

可能出現(xiàn)CPU瓶頸的應(yīng)用有db服務(wù)器、動態(tài)Web服務(wù)器等，對于這類應(yīng)用，要把CPU的配置和性能放在主要位置。

2）內(nèi)存

內(nèi)存的大小也是影響Linux性能的一個重要的因素，內(nèi)存太小，系統(tǒng)進程將被阻塞，應(yīng)用也將變得緩慢，甚至失去響應(yīng)；內(nèi)存太大，導(dǎo)致資源浪費。Linux系統(tǒng)采用了物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存兩種方式，虛擬內(nèi)存雖然可以緩解物理內(nèi)存的不足，但是占用過多的虛擬內(nèi)存，應(yīng)用程序的性能將明顯下降，要保證應(yīng)用程序的高性能運行，物理內(nèi)存一定要足夠大；但是過大的物理內(nèi)存，會造成內(nèi)存資源浪費，例如，在一個32位處理器的Linux操作系統(tǒng)上，超過8GB的物理內(nèi)存都將被浪費。因此，要使用更大的內(nèi)存，建議安裝64位的操作系統(tǒng)，同時開啟Linux的大內(nèi)存內(nèi)核支持。

由于處理器尋址范圍的限制，在32位Linux操作系統(tǒng)上，應(yīng)用程序單個進程最大只能使用4GB的內(nèi)存，這樣以來，即使系統(tǒng)有更大的內(nèi)存，應(yīng)用程序也無法“享”用，解決的辦法就是使用64位處理器，安裝64位操作系統(tǒng)。在64位操作系統(tǒng)下，可以滿足所有應(yīng)用程序?qū)?nèi)存的使用需求 ，幾乎沒有限制。

可能出現(xiàn)內(nèi)存性能瓶頸的應(yīng)用有NOSQL服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、緩存服務(wù)器等，對于這類應(yīng)用要把內(nèi)存大小放在主要位置。

3）磁盤I/O性能

磁盤的I/O性能直接影響應(yīng)用程序的性能，在一個有頻繁讀寫的應(yīng)用中，如果磁盤I/O性能得不到滿足，就會導(dǎo)致應(yīng)用停滯。好在現(xiàn)今的磁盤都采用了很多方法來提高I/O性能，比如常見的磁盤RAID技術(shù)。

通過RAID技術(shù)組成的磁盤組，就相當于一個大硬盤，用戶可以對它進行分區(qū)格式化、建立文件系統(tǒng)等操作，跟單個物理硬盤一模一樣，唯一不同的是RAID磁盤組的I/O性能比單個硬盤要高很多，同時在數(shù)據(jù)的安全性也有很大提升。

根據(jù)磁盤組合方式的不同，RAID可以分為RAID0，RAID1、RAID2、RAID3、RAID4、RAID5、RAID6、RAID7、RAID0+1、RAID10等級別，常用的RAID級別有RAID0、RAID1、RAID5、RAID0+1，這里進行簡單介紹。

RAID 0：也就是帶區(qū)卷，通過把多塊硬盤粘合成一個容量更大的硬盤組，提高了磁盤的性能和吞吐量。這種方式成本低，要求至少兩個磁盤，但是沒有容錯和數(shù)據(jù)修復(fù)功能，因而只能用在對數(shù)據(jù)安全性要求不高的環(huán)境中。
RAID 1：也就是鏡像卷，通過把一個磁盤的數(shù)據(jù)鏡像到另一個磁盤上，最大限度地保證磁盤數(shù)據(jù)的可靠性和可修復(fù)性，具有很高的數(shù)據(jù)冗余能力，但磁盤利用率只有50%，因而，成本最高，多用在保存重要數(shù)據(jù)的場合。
RAID5：采用了磁盤分段加奇偶校驗技術(shù)，從而提高了系統(tǒng)可靠性，RAID5讀出效率很高，寫入效率一般，至少需要3塊盤。允許一塊磁盤故障，而不影響數(shù)據(jù)的可用性。
RAID0+1：把RAID0和RAID1技術(shù)結(jié)合起來就成了RAID0+1，至少需要4個硬盤。此種方式的數(shù)據(jù)除分布在多個盤上外，每個盤都有其鏡像盤，提供全冗余能力，同時允許一個磁盤故障，而不影響數(shù)據(jù)可用性，并具有快速讀/寫能力。

通過了解各個RAID級別的性能，可以根據(jù)應(yīng)用的不同特性，選擇適合自身的RAID級別，從而保證應(yīng)用程序在磁盤方面達到最優(yōu)性能。

4）網(wǎng)絡(luò)帶寬

Linux下的各種應(yīng)用，一般都是基于網(wǎng)絡(luò)的，因此網(wǎng)絡(luò)帶寬也是影響性能的一個重要因素，低速的、不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的訪問阻塞，而穩(wěn)定、高速的網(wǎng)絡(luò)帶寬，可以保證應(yīng)用程序在網(wǎng)絡(luò)上暢通無阻地運行。幸運的是，現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)一般都是千兆帶寬或光纖網(wǎng)絡(luò)，帶寬問題對應(yīng)用程序性能造成的影響也在逐步降低。

2）操作系統(tǒng)相關(guān)資源

基于操作系統(tǒng)的性能優(yōu)化也是多方面的，可以從系統(tǒng)安裝、系統(tǒng)內(nèi)核參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、文件系統(tǒng)等幾個方面進行衡量，下面依次進行簡單介紹。

1）系統(tǒng)安裝優(yōu)化

系統(tǒng)優(yōu)化可以從安裝操作系統(tǒng)開始，當安裝Linux系統(tǒng)時，磁盤的劃分，SWAP內(nèi)存的分配都直接影響以后系統(tǒng)的運行性能。

例如，磁盤分配可以遵循應(yīng)用的需求：
1）對于對寫操作頻繁而對數(shù)據(jù)安全性要求不高的應(yīng)用，可以把磁盤做成RAID 0；
2）而對于對數(shù)據(jù)安全性較高，對讀寫沒有特別要求的應(yīng)用，可以把磁盤做成RAID 1；
3）對于對讀操作要求較高，而對寫操作無特殊要求，并要保證數(shù)據(jù)安全性的應(yīng)用，可以選擇RAID 5；
4）對于對讀寫要求都很高，并且對數(shù)據(jù)安全性要求也很高的應(yīng)用，可以選擇RAID10/01；

這樣通過不同的應(yīng)用需求設(shè)置不同的RAID級別，在磁盤底層對系統(tǒng)進行優(yōu)化操作。

隨著內(nèi)存價格的降低和內(nèi)存容量的日益增大，對虛擬內(nèi)存SWAP的設(shè)定，現(xiàn)在已經(jīng)沒有了所謂虛擬內(nèi)存是物理內(nèi)存兩倍的要求，但是SWAP的設(shè)定還是不能忽略，根據(jù)經(jīng)驗：
1）如果內(nèi)存較?。ㄎ锢韮?nèi)存小于4GB），一般設(shè)置SWAP交換分區(qū)大小為內(nèi)存的2倍；
2）如果物理內(nèi)存大于8GB小于16GB，可以設(shè)置SWAP大小等于或略小于物理內(nèi)存即可；
3）如果內(nèi)存大小在16GB以上，原則上可以設(shè)置SWAP為0，但并不建議這么做，因為設(shè)置一定大小的SWAP還是有一定作用的。

2）內(nèi)核參數(shù)優(yōu)化

系統(tǒng)安裝完成后，優(yōu)化工作并沒有結(jié)束，接下來還可以對系統(tǒng)內(nèi)核參數(shù)進行優(yōu)化，不過內(nèi)核參數(shù)的優(yōu)化要和系統(tǒng)中部署的應(yīng)用結(jié)合起來整體考慮。

例如，如果系統(tǒng)部署的是Oracle數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，那么就需要對系統(tǒng)共享內(nèi)存段（kernel.shmmax、kernel.shmmni、kernel.shmall）、系統(tǒng)信號量（kernel.sem）、文件句柄（fs.file-max）等參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)置；如果部署的是Web應(yīng)用，那么就需要根據(jù)Web應(yīng)用特性進行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的優(yōu)化，例如修改net.ipv4.ip_local_port_range、net.ipv4.tcp_tw_reuse、net.core.somaxconn等網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核參數(shù)。

3）文件系統(tǒng)優(yōu)化

文件系統(tǒng)的優(yōu)化也是系統(tǒng)資源優(yōu)化的一個重點，在Linux下可選的文件系統(tǒng)有ext2、ext3、ReiserFS、ext4、xfs，根據(jù)不同的應(yīng)用，選擇不同的文件系統(tǒng)。

Linux標準文件系統(tǒng)是從VFS開始的，然后是ext，接著就是ext2，應(yīng)該說，ext2是Linux上標準的文件系統(tǒng)，ext3是在ext2基礎(chǔ)上增加日志形成的，從VFS到ext4，其設(shè)計思想沒有太大變化，都是早期UNIX家族基于超級塊和inode的設(shè)計理念。

XFS文件系統(tǒng)是一個高級日志文件系統(tǒng)，XFS通過分布處理磁盤請求、定位數(shù)據(jù)、保持Cache 的一致性來提供對文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的低延遲、高帶寬的訪問，因此，XFS極具伸縮性，非常健壯，具有優(yōu)秀的日志記錄功能、可擴展性強、快速寫入性能等優(yōu)點。

目前服務(wù)器端ext4和xfs是主流文件系統(tǒng)，如何選擇合適的文件系統(tǒng)，需要根據(jù)文件系統(tǒng)的特點加上業(yè)務(wù)的需求綜合來定。

3）應(yīng)用程序軟件資源

應(yīng)用程序的優(yōu)化其實是整個優(yōu)化工程的核心，如果一個應(yīng)用程序存在BUG，那么即使所有其他方面都達到了最優(yōu)狀態(tài)，整個應(yīng)用系統(tǒng)還是性能低下，所以，對應(yīng)用程序的優(yōu)化是性能優(yōu)化過程的重中之重，這就對程序架構(gòu)設(shè)計人員和程序開發(fā)人員提出了更高的要求。

三、分析系統(tǒng)性能設(shè)計的人員

1）Linux運維人員

在做性能優(yōu)化過程中，Linux運維人員承擔著很重要的任務(wù)：
1）首先，Linux運維人員要了解和掌握操作系統(tǒng)的當前運行狀態(tài)，例如系統(tǒng)負載、內(nèi)存狀態(tài)、進程狀態(tài)、CPU負荷等信息，這些信息是檢測和判斷系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)和依據(jù)；
2）其次，Linux運維人員還有掌握系統(tǒng)的硬件信息，例如磁盤I/O、CPU型號、內(nèi)存大小、網(wǎng)卡帶寬等參數(shù)信息，然后根據(jù)這些信息綜合評估系統(tǒng)資源的使用情況；
3）作為一名Linux運維人員，還要掌握應(yīng)用程序?qū)ο到y(tǒng)資源的使用情況，更深入的一點就是要了解應(yīng)用程序的運行效率，例如是否有程序BUG、內(nèi)存溢出等問題，通過對系統(tǒng)資源的監(jiān)控，就能發(fā)現(xiàn)應(yīng)用程序是否存在異常，如果確實是應(yīng)用程序存在問題，需要把問題立刻反映給程序開發(fā)人員，進而改進或升級程序。

性能優(yōu)化本身就是一個復(fù)雜和繁瑣的過程，Linux運維人員只有了解了系統(tǒng)硬件信息、網(wǎng)絡(luò)信息、操作系統(tǒng)配置信息和應(yīng)用程序信息才能有針對性地的展開對服務(wù)器性能優(yōu)化，這就要求Linux運維人員有充足的理論知識、豐富的實戰(zhàn)經(jīng)驗以及縝密分析問題的頭腦。

2）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計人員

系統(tǒng)性能優(yōu)化涉及的第二類人員就是應(yīng)用程序的架構(gòu)設(shè)計人員。如果Linux運維人員在經(jīng)過綜合判斷后，發(fā)現(xiàn)影響性能的是應(yīng)用程序的執(zhí)行效率，那么程序架構(gòu)設(shè)計人員就要及時介入，深入了解程序運行狀態(tài)。

1）首先，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計人員要跟蹤了解程序的執(zhí)行效率，如果執(zhí)行效率存在問題，要找出哪里出現(xiàn)了問題；
2）其次，如果真的是架構(gòu)設(shè)計出現(xiàn)了問題，那么就要馬上優(yōu)化或改進系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計更好的應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)；

3）軟件開發(fā)人員

系統(tǒng)性能優(yōu)化最后一個環(huán)節(jié)涉及的是程序開發(fā)人員，在Linux運維人員或架構(gòu)設(shè)計人員找到程序或結(jié)構(gòu)瓶頸后，程序開發(fā)人員要馬上介入進行相應(yīng)的程序修改。修改程序要以程序的執(zhí)行效率為基準，改進程序的邏輯，有針對性地進行代碼優(yōu)化。例如，Linux運維人員在系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)有條SQL語句耗費大量的系統(tǒng)資源，抓取這條執(zhí)行的SQL語句，發(fā)現(xiàn)此SQL語句的執(zhí)行效率太差，是開發(fā)人員編寫的代碼執(zhí)行效率低造成的，這就需要把這個信息反饋給開發(fā)人員，開發(fā)人員在收到這個問題后，可以有針對性的進行SQL優(yōu)化，進而實現(xiàn)程序代碼的優(yōu)化。

從上面這個過程可以看出，系統(tǒng)性能優(yōu)化一般遵循的流程是：
1）首先Linux運維人員查看系統(tǒng)的整體狀況，主要從系統(tǒng)硬件、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、操作系統(tǒng)配置、應(yīng)用程序架構(gòu)和程序代碼五個方面進行綜合判斷，如果發(fā)現(xiàn)是系統(tǒng)硬件、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或者操作系統(tǒng)配置問題，Linux運維人員可以根據(jù)情況自主解決；
2）如果發(fā)現(xiàn)是程序結(jié)構(gòu)問題，就需要提交給程序架構(gòu)設(shè)計人員；
3）如果發(fā)現(xiàn)是程序代碼執(zhí)行問題，就交給開發(fā)人員進行代碼優(yōu)化；
4）這樣就完成了一個系統(tǒng)性能優(yōu)化的過程！

四、調(diào)優(yōu)總結(jié)

系統(tǒng)性能優(yōu)化是個涉及面廣、繁瑣、長久的工作，尋找出現(xiàn)性能問題的根源往往是最難的部分，一旦找到出現(xiàn)問題的原因，性能問題也就迎刃而解。因此，解決問題的思路變得非常重要。

例如，linux系統(tǒng)下的一個網(wǎng)站系統(tǒng)，用戶反映，網(wǎng)站訪問速度很慢，有時無法訪問。

針對這個問題的解決思路：
1）檢測網(wǎng)絡(luò)，可以通過ping命令檢查網(wǎng)站的域名解析是否正常，同時，ping服務(wù)器地址的延時是否過大等等，通過這種方式，首先排除網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)的問題；如果網(wǎng)絡(luò)沒有問題；
2）對linux系統(tǒng)的內(nèi)存使用狀況進行檢查，因為網(wǎng)站響應(yīng)速度慢，一般跟內(nèi)存關(guān)聯(lián)比較大，通過free、vmstat等命令判斷內(nèi)存資源是否緊缺，如果內(nèi)存資源不存在問題；
3）檢查系統(tǒng)CPU的負載狀況，可以通過sar、vmstat、top等命令的輸出綜合判斷CPU是否存在過載問題，如果CPU沒有問題；
4）檢查系統(tǒng)的磁盤I/O是否存在瓶頸，可以通過iostat、vmstat等命令檢查磁盤的讀寫性能，如果磁盤讀寫也沒有問題，linux系統(tǒng)自身的性能問題基本排除，最后要做的是檢查程序本身是否存在問題。通過這樣的思路，層層檢測，步步排查，性能問題就“無處藏身”，查找出現(xiàn)性能問題的環(huán)節(jié)也就變得非常簡單；

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