Linux性能分析工具匯總

?出于對(duì)Linux 操作系統(tǒng)的興趣，以及對(duì)底層知識(shí)的強(qiáng)烈欲望，因此整理了這篇文章。本文也可以作為檢驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)的指標(biāo)，另外文章涵蓋了一個(gè)系統(tǒng)的方方面面。如果沒(méi)有完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)，網(wǎng)絡(luò)知識(shí)和操作系統(tǒng)知識(shí)，文檔中的工具，是不可能完全掌握的，另外對(duì)系統(tǒng)性能分析和優(yōu)化是一個(gè)長(zhǎng)期的系列。

本文檔主要是結(jié)合Linux 大牛，Netflix 高級(jí)性能架構(gòu)師 Brendan Gregg 更新 Linux 性能調(diào)優(yōu)工具的博文，搜集Linux系統(tǒng)性能優(yōu)化相關(guān)文章整理后的一篇綜合性文章，主要是結(jié)合博文對(duì)涉及到的原理和性能測(cè)試的工具展開(kāi)說(shuō)明。

背景知識(shí)：具備背景知識(shí)是分析性能問(wèn)題時(shí)需要了解的。比如硬件 cache；再比如操作系統(tǒng)內(nèi)核。應(yīng)用程序的行為細(xì)節(jié)往往是和這些東西互相牽扯的，這些底層的東西會(huì)以意想不到的方式影響應(yīng)用程序的性能，比如某些程序無(wú)法充分利用 cache，從而導(dǎo)致性能下降。比如不必要地調(diào)用過(guò)多的系統(tǒng)調(diào)用，造成頻繁的內(nèi)核 / 用戶切換等。

性能分析工具

首先來(lái)看一張圖：

上圖是Brendan Gregg 的一次性能分析的分享，這里面的所有工具都可以通過(guò)?man?來(lái)獲得它的幫助文檔，下面簡(jiǎn)單介紹介紹一下常規(guī)的用法：

vmstat--虛擬內(nèi)存統(tǒng)計(jì)

vmstat（VirtualMeomoryStatistics，虛擬內(nèi)存統(tǒng)計(jì)）是 Linux 中監(jiān)控內(nèi)存的常用工具,可對(duì)操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存、進(jìn)程、CPU 等的整體情況進(jìn)行監(jiān)視。vmstat 的常規(guī)用法：vmstat interval times?即每隔?interval?秒采樣一次，共采樣?times?次，如果省略?times，則一直采集數(shù)據(jù)，直到用戶手動(dòng)停止為止。簡(jiǎn)單舉個(gè)例子：

可以使用?ctrl+c?停止?vmstat?采集數(shù)據(jù)。

第一行顯示了系統(tǒng)自啟動(dòng)以來(lái)的平均值，第二行開(kāi)始顯示現(xiàn)在正在發(fā)生的情況，接下來(lái)的行會(huì)顯示每5秒間隔發(fā)生了什么，每一列的含義在頭部，如下所示：

procs：r 這一列顯示了多少進(jìn)程在等待cpu，b列顯示多少進(jìn)程正在不可中斷的休眠（等待IO）。

memory：swapd 列顯示了多少塊被換出了磁盤(pán)（頁(yè)面交換），剩下的列顯示了多少塊是空閑的（未被使用），多少塊正在被用作緩沖區(qū)，以及多少正在被用作操作系統(tǒng)的緩存。

swap：顯示交換活動(dòng)：每秒有多少塊正在被換入（從磁盤(pán)）和換出（到磁盤(pán)）。

io：顯示了多少塊從塊設(shè)備讀?。╞i）和寫(xiě)出（bo）,通常反映了硬盤(pán)I/O。

system：顯示每秒中斷(in)和上下文切換（cs）的數(shù)量。

cpu：顯示所有的cpu時(shí)間花費(fèi)在各類(lèi)操作的百分比，包括執(zhí)行用戶代碼（非內(nèi)核），執(zhí)行系統(tǒng)代碼（內(nèi)核），空閑以及等待IO。

內(nèi)存不足的表現(xiàn)：free ?memory 急劇減少，回收 buffer 和 cache 也無(wú)濟(jì)于事，大量使用交換分區(qū)（swpd）,頁(yè)面交換（swap）頻繁，讀寫(xiě)磁盤(pán)數(shù)量（io）增多，缺頁(yè)中斷（in）增多，上下文切換（cs）次數(shù)增多，等待IO的進(jìn)程數(shù)（b）增多，大量CPU時(shí)間用于等待IO（wa）

iostat--用于報(bào)告中央處理器統(tǒng)計(jì)信息

iostat 用于報(bào)告中央處理器（CPU）統(tǒng)計(jì)信息和整個(gè)系統(tǒng)、適配器、tty 設(shè)備、磁盤(pán)和 CD-ROM 的輸入/輸出統(tǒng)計(jì)信息，默認(rèn)顯示了與 vmstat 相同的 cpu 使用信息，使用以下命令顯示擴(kuò)展的設(shè)備統(tǒng)計(jì)：

第一行顯示的是自系統(tǒng)啟動(dòng)以來(lái)的平均值，然后顯示增量的平均值，每個(gè)設(shè)備一行。

常見(jiàn) linux 的磁盤(pán) IO 指標(biāo)的縮寫(xiě)習(xí)慣：rq 是 request，r 是 read，w 是 write，qu 是 queue，sz 是 size，a 是verage，tm 是 time，svc 是 service。

rrqm/s 和 wrqm/s：每秒合并的讀和寫(xiě)請(qǐng)求，“合并的”意味著操作系統(tǒng)從隊(duì)列中拿出多個(gè)邏輯請(qǐng)求合并為一個(gè)請(qǐng)求到實(shí)際磁盤(pán)。

r/s和w/s：每秒發(fā)送到設(shè)備的讀和寫(xiě)請(qǐng)求數(shù)。

rsec/s和wsec/s：每秒讀和寫(xiě)的扇區(qū)數(shù)。

avgrq –sz：請(qǐng)求的扇區(qū)數(shù)。

avgqu –sz：在設(shè)備隊(duì)列中等待的請(qǐng)求數(shù)。

await：每個(gè)IO請(qǐng)求花費(fèi)的時(shí)間。

svctm：實(shí)際請(qǐng)求（服務(wù)）時(shí)間。

%util：至少有一個(gè)活躍請(qǐng)求所占時(shí)間的百分比。

dstat--系統(tǒng)監(jiān)控工具

dstat 顯示了 cpu 使用情況，磁盤(pán) io 情況，網(wǎng)絡(luò)發(fā)包情況和換頁(yè)情況，輸出是彩色的，可讀性較強(qiáng)，相對(duì)于 vmstat 和iostat 的輸入更加詳細(xì)且較為直觀。在使用時(shí)，直接輸入命令即可，當(dāng)然也可以使用特定參數(shù)。

如下：dstat –cdlmnpsy

iotop--LINUX進(jìn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控工具

iotop命令是專(zhuān)門(mén)顯示硬盤(pán)IO的命令，界面風(fēng)格類(lèi)似top命令，可以顯示IO負(fù)載具體是由哪個(gè)進(jìn)程產(chǎn)生的。是一個(gè)用來(lái)監(jiān)視磁盤(pán)I/O使用狀況的top類(lèi)工具，具有與top相似的UI，其中包括PID、用戶、I/O、進(jìn)程等相關(guān)信息。

可以以非交互的方式使用：

iotop?–bod?interval

查看每個(gè)進(jìn)程的?I/O，可以使用

pidstat，pidstat?–d?instat

pidstat--監(jiān)控系統(tǒng)資源情況

pidstat 主要用于監(jiān)控全部或指定進(jìn)程占用系統(tǒng)資源的情況,如 CPU,內(nèi)存、設(shè)備 IO、任務(wù)切換、線程等。

使用方法：

pidstat?–d?interval

pidstat 還可以用以統(tǒng)計(jì)CPU使用信息：

pidstat?–u?interval

統(tǒng)計(jì)內(nèi)存信息：

pidstat?–r?interval

top

top 命令的匯總區(qū)域顯示了五個(gè)方面的系統(tǒng)性能信息：

負(fù)載：時(shí)間，登陸用戶數(shù)，系統(tǒng)平均負(fù)載；

進(jìn)程：運(yùn)行，睡眠，停止，僵尸；

cpu:用戶態(tài)，核心態(tài)，NICE,空閑，等待IO,中斷等；

內(nèi)存：總量，已用，空閑（系統(tǒng)角度），緩沖，緩存；

交換分區(qū)：總量，已用，空閑

任務(wù)區(qū)域默認(rèn)顯示：進(jìn)程 ID，有效用戶，進(jìn)程優(yōu)先級(jí)，NICE 值，進(jìn)程使用的虛擬內(nèi)存，物理內(nèi)存和共享內(nèi)存，進(jìn)程狀態(tài)，CPU 占用率，內(nèi)存占用率，累計(jì) CPU 時(shí)間，進(jìn)程命令行信息。

htop

htop 是 Linux 系統(tǒng)中的一個(gè)互動(dòng)的進(jìn)程查看器,一個(gè)文本模式的應(yīng)用程序(在控制臺(tái)或者X終端中),需要 ncurses。

Htop 可讓用戶交互式操作，支持顏色主題，可橫向或縱向滾動(dòng)瀏覽進(jìn)程列表，并支持鼠標(biāo)操作。

與 top 相比，htop 有以下優(yōu)點(diǎn)：

可以橫向或者縱向滾動(dòng)瀏覽進(jìn)程列表，以便看到所有的進(jìn)程和完整的命令行。

在啟動(dòng)上，比top更快。

殺進(jìn)程時(shí)不需要輸入進(jìn)程號(hào)。

htop支持鼠標(biāo)操作。

mpstat

mpstat 是 Multiprocessor Statistics的縮寫(xiě)，是實(shí)時(shí)系統(tǒng)監(jiān)控工具。其報(bào)告CPU的一些統(tǒng)計(jì)信息，這些信息存放在?/proc/stat?文件中。在多 CPUs 系統(tǒng)里，其不但能查看所有 CPU 的平均狀況信息，而且能夠查看特定 CPU 的信息。常見(jiàn)用法：

mpstat?–P?ALL?interval?times

netstat

netstat 用于顯示與 IP、TCP、UDP和 ICMP 協(xié)議相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，一般用于檢驗(yàn)本機(jī)各端口的網(wǎng)絡(luò)連接情況。

常見(jiàn)用法：

netstat?–npl???#?可以查看你要打開(kāi)的端口是否已經(jīng)打開(kāi)。

netstat?–rn????#?打印路由表信息。

netstat?–in????#?提供系統(tǒng)上的接口信息，打印每個(gè)接口的MTU,輸入分組數(shù)，輸入錯(cuò)誤，輸出分組數(shù)，輸出錯(cuò)誤，沖突以及當(dāng)前的輸出隊(duì)列的長(zhǎng)度。

ps--顯示當(dāng)前進(jìn)程的狀態(tài)

ps 參數(shù)太多，具體使用方法可以參考?man ps

常用的方法：

ps??aux???????#hsserver

ps?–ef?|grep???#hundsun

殺掉某一程序的方法：

ps??aux?|?grep?mysqld?|?grep?–v?grep?|?awk?‘{print?$2?}’?xargs?kill?-9

殺掉僵尸進(jìn)程：

ps?–eal?|?awk?‘{if?($2?==?“Z”){print?$4}}’?|?xargs?kill?-9

strace

跟蹤程序執(zhí)行過(guò)程中產(chǎn)生的系統(tǒng)調(diào)用及接收到的信號(hào)，幫助分析程序或命令執(zhí)行中遇到的異常情況。

舉例：查看 mysqld 在 linux 上加載哪種配置文件，可以通過(guò)運(yùn)行下面的命令：

strace?–e?stat64?mysqld?–print?–defaults?>?/dev/null

uptime

能夠打印系統(tǒng)總共運(yùn)行了多長(zhǎng)時(shí)間和系統(tǒng)的平均負(fù)載，uptime 命令最后輸出的三個(gè)數(shù)字的含義分別是 1分鐘，5分鐘，15分鐘內(nèi)系統(tǒng)的平均負(fù)荷。

lsof

lsof（list open files）是一個(gè)列出當(dāng)前系統(tǒng)打開(kāi)文件的工具。通過(guò) lsof 工具能夠查看這個(gè)列表對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)及排錯(cuò)，常見(jiàn)的用法：

查看文件系統(tǒng)阻塞

lsof?/boot

查看端口號(hào)被哪個(gè)進(jìn)程占用

lsof??-i?:?3306

查看用戶打開(kāi)哪些文件

lsof?–u?username

查看進(jìn)程打開(kāi)哪些文件

lsof?–p??4838

查看遠(yuǎn)程已打開(kāi)的網(wǎng)絡(luò)鏈接

lsof?–i?@192.168.34.128

perf

perf 是 Linux kernel 自帶的系統(tǒng)性能優(yōu)化工具。優(yōu)勢(shì)在于與 Linux Kernel 的緊密結(jié)合，它可以最先應(yīng)用到加入 Kernel 的new feature，用于查看熱點(diǎn)函數(shù)，查看 cashe miss 的比率，從而幫助開(kāi)發(fā)者來(lái)優(yōu)化程序性能。

性能調(diào)優(yōu)工具如 perf，Oprofile 等的基本原理都是對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行采樣，最簡(jiǎn)單的情形是根據(jù) tick 中斷進(jìn)行采樣，即在 tick 中斷內(nèi)觸發(fā)采樣點(diǎn)，在采樣點(diǎn)里判斷程序當(dāng)時(shí)的上下文。

假如一個(gè)程序 90% 的時(shí)間都花費(fèi)在函數(shù) foo() 上，那么 90% 的采樣點(diǎn)都應(yīng)該落在函數(shù) foo() 的上下文中。運(yùn)氣不可捉摸，但我想只要采樣頻率足夠高，采樣時(shí)間足夠長(zhǎng)，那么以上推論就比較可靠。因此，通過(guò) tick 觸發(fā)采樣，我們便可以了解程序中哪些地方最耗時(shí)間，從而重點(diǎn)分析。

匯總

結(jié)合以上常用的性能測(cè)試命令并聯(lián)系文初的性能分析工具的圖，就可以初步了解到性能分析過(guò)程中哪個(gè)方面的性能使用哪方面的工具（命令）。

常用的性能測(cè)試工具

熟練并精通了第二部分的性能分析命令工具，引入幾個(gè)性能測(cè)試的工具，介紹之前先簡(jiǎn)單了解幾個(gè)性能測(cè)試工具：

perf_events：一款隨 Linux 內(nèi)核代碼一同發(fā)布和維護(hù)的性能診斷工具，由內(nèi)核社區(qū)維護(hù)和發(fā)展。Perf 不僅可以用于應(yīng)用程序的性能統(tǒng)計(jì)分析，也可以應(yīng)用于內(nèi)核代碼的性能統(tǒng)計(jì)和分析。

eBPF tools：一款使用 bcc 進(jìn)行的性能追蹤的工具，eBPF map可以使用定制的 eBPF 程序被廣泛應(yīng)用于內(nèi)核調(diào)優(yōu)方面，也可以讀取用戶級(jí)的異步代碼。重要的是這個(gè)外部的數(shù)據(jù)可以在用戶空間管理。這個(gè) k-v 格式的 map 數(shù)據(jù)體是通過(guò)在用戶空間調(diào)用 bpf 系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建、添加、刪除等操作管理的。

perf-tools：一款基于 perf_events (perf) 和 ftrace 的Linux性能分析調(diào)優(yōu)工具集。Perf-Tools 依賴庫(kù)少，使用簡(jiǎn)單。支持Linux 3.2 及以上內(nèi)核版本。

bcc(BPF Compiler Collection):：一款使用 eBP F的 perf 性能分析工具。一個(gè)用于創(chuàng)建高效的內(nèi)核跟蹤和操作程序的工具包，包括幾個(gè)有用的工具和示例。利用擴(kuò)展的BPF（伯克利數(shù)據(jù)包過(guò)濾器），正式稱為eBPF，一個(gè)新的功能，首先被添加到Linux 3.15。多用途需要Linux 4.1以上BCC。

ktap：一種新型的linux腳本動(dòng)態(tài)性能跟蹤工具。允許用戶跟蹤Linux內(nèi)核動(dòng)態(tài)。ktap是設(shè)計(jì)給具有互操作性，允許用戶調(diào)整操作的見(jiàn)解，排除故障和延長(zhǎng)內(nèi)核和應(yīng)用程序。它類(lèi)似于Linux和Solaris DTrace SystemTap。

Flame Graphs：是一款使用 perf，system tap，ktap 可視化的圖形軟件，允許最頻繁的代碼路徑快速準(zhǔn)確地識(shí)別，可以是使用?github.com/brendangregg/flamegraph?中的開(kāi)發(fā)源代碼的程序生成。

Linux observability tools | Linux 性能觀測(cè)工具

首先學(xué)習(xí)的Basic Tool有如下：uptime、top(htop)、mpstat、isstat、vmstat、free、ping、nicstat、dstat。

高級(jí)的命令如下：sar、netstat、pidstat、strace、tcpdump、blktrace、iotop、slabtop、sysctl、/proc。

Linux benchmarking tools | Linux 性能測(cè)評(píng)工具

是一款性能測(cè)評(píng)工具，對(duì)于不同模塊的性能測(cè)試可以使用相應(yīng)的工具，想要深入了解，可以參考最下文的附件文檔。

Linux tuning tools | Linux 性能調(diào)優(yōu)工具

是一款性能調(diào)優(yōu)工具，主要是從linux內(nèi)核源碼層進(jìn)行的調(diào)優(yōu)，想要深入了解，可以參考下文附件文檔。

Linux observability sar | linux性能觀測(cè)工具

sar（System Activity Reporter系統(tǒng)活動(dòng)情況報(bào)告）是目前LINUX上最為全面的系統(tǒng)性能分析工具之一，可以從多方面對(duì)系統(tǒng)的活動(dòng)進(jìn)行報(bào)告，包括：文件的讀寫(xiě)情況、系統(tǒng)調(diào)用的使用情況、磁盤(pán)I/O、CPU效率、內(nèi)存使用狀況、進(jìn)程活動(dòng)及IPC 有關(guān)的活動(dòng)等方面。sar 的常規(guī)使用方式：