Linux 系统性能优化

一、影响 Linux 性能的各种因素

1、系统硬件资源

（1）CPU

如何判断多核 CPU 与超线程

消耗 CPU 的业务：动态 web 服务、mail 服务

（2）内存

• 物理内存与 swap 的取舍

• 选择 64 位 Linux 操作系统

消耗内存的业务：内存数据库（redis/hbase/mongodb）

（3）磁盘 IO

• RAID 技术（RAID0/1/5/01/10）

• SSD 磁盘

消耗磁盘的业务：数据库服务器

（4）网络带宽

• 网卡/交换机的选择

• 操作系统双网卡绑定

消耗带宽的业务：hadoop 平台、视频业务平台

2、操作系统相关资源

（1）系统安装优化

磁盘分区、RAID 设置、swap 设置

（2）内核参数优化

ulimit -n（最大打开文件数）

ulimit -u（最大用户数）

（3）文件系统优化

• ext2：Linux 下标准文件系统，无日志记录（inode）功能。

• ext3：在ext2 基础上增加了日志记录功能（inode），仅支持 32000 个子目录。

• ex4：ext3 的后续版本，Linux2.6.28 内核开始支持。无限子目录支持，快速 fsck。

• xfs：高性能文件系统，Linux3.10 内核开始默认支持。

建议：

读操作频繁，同时小文件众多的应用：首选 ext4 文件系统，接下来依次是 xfs、ext3

写操作频繁的应用，首选是 xfs，接下来依次是 ext4 和 ext3

对性能要求丌高、数据安全要求丌高的业务，ext3 是比较好的选择。

3、程序问题

此类问题需要开发人员查看代码，介入处理。但作为运维人员需要给出程序问题的有力证据。

二、Linux 性能优化工具

1、CPU 性能评估工具

（1）vmstat（系统默认自带）

利用 vmstat 命令可以对操作系统的内存信息、进程状态、CPU活劢等进行监视。

常用方式：vmstat 2 3

表示每 3 秒更新一次输出信息，统计 5 次后停止输出。

下面是 vmstat 命令在某个系统的输出结果：

对上面每项的输出解释如下：

• procs

• r 列表示运行和等待 cpu 时间片的进程数， 这个值如果长期大于系统CPU 的个数，说明 CPU 不足，需要增加 CPU。

• b 列表示在等待资源的进程数，比如正在等待 I/O、或者内存交换等。

• memory

• swpd 列表示切换到内存交换区的内存数量（以 k为单位） 。如果 swpd 的值不为0，或者比较大，只要 si、so 的值长期为 0，这种情况下一般不用担心，不会影响系统性能。

• free列表示当前空闲的物理内存数量（以 k为单位）

• buff 列表示 buffers cache的内存数量，一般对块设备的读写才需要缓冲。

• cache列表示 page cached 的内存数量，一般作为文件系统 cached，频繁访问的文件都会被 cached，如果 cache 值较大，说明 cached 的文件数较多，如果此时 IO 中 bi比较小，说明文件系统效率比较好。

• swap

• si列表示由磁盘调入内存，也就是内存进入内存交换区的数量。

• so 列表示由内存调入磁盘，也就是内存交换区进入内存的数量。

一般情况下， si、 so 的值都为 0， 如果 si、 so 的值长期不为 0， 则表示系统内存不足。需要增加系统内存。

• IO 项显示磁盘读写状况

• Bi列表示从块设备读入数据的总量（即读磁盘） （每秒 kb） 。

• Bo 列表示写入到块设备的数据总量（即写磁盘） （每秒 kb）。

这里我们设置的 bi+bo 参考值为 1000，如果超过 1000，而且 wa值较大，则表示系统磁盘 IO 有问题，应该考虑提高磁盘的读写性能。

• system 显示采集间隔内发生的中断数

• in 列表示在某一时间间隔中观测到的每秒设备中断数。

• cs 列表示每秒产生的上下文切换次数。

上面这 2 个值越大，会看到由内核消耗的 CPU 时间会越多。

• CPU 项显示了 CPU 的使用状态，此列是我们关注的重点。

• us 列显示了用户进程消耗的 CPU 时间百分比。us 的值比较高时，说明用户进程消耗的 cpu 时间多，但是如果长期大于 50%，就需要考虑优化程序或算法。

• sy列显示了内核进程消耗的 CPU 时间百分比。Sy的值较高时，说明内核消耗的CPU 资源很多。

根据经验， us+sy的参考值为 80%， 如果 us+sy大于 80%说明可能存在 CPU 资源不足。

• id 列显示了 CPU 处在空闲状态的时间百分比。

• wa 列显示了 IO 等待所占用的 CPU 时间百分比。wa 值越高，说明 IO 等待越严重，根据经验，wa 的参考值为 20%，如果 wa 超过 20%，说明 IO 等待严重，引起 IO 等待的原因可能是磁盘大量随机读写造成的， 也可能是磁盘或者磁盘控制器的带宽瓶颈造成的（主要是块操作） 。

综上所述， 在对 CPU 的评估中， 需要重点注意的是procs 项 r 列的值和 CPU 项中 us、sy和 id 列的值。

（2）iostat（需要安装 sysstat 工具包）

iostat 是 I/O statistics（输入/输出统计）的缩写，主要的功能是对系统的磁盘 I/O 操作进行监视。

常用方式：iostat -c 3 5

其中，-c 表示显示CPU 的使用情况，-d：显示磁盘的使用情况。

（3）uptime 命令

uptime 是监控系统性能最常用的一个命令，主要用来统计系统当前的运行状况，输出的信息依次为：系统现在的时间、 系统从上次开机到现在运行了多长时间、 系统目前有多少登陆用户、系统在一分钟内、五分钟内、十五分钟内的平均负载。

2、内存性能评估

（1）free 命令

free 命令是监控 linux 内存使用状况最常用的指令

常见用法：free –m

看下面的一个输出：

“free –m”表示以 M为单位查看内存使用情况，在这个输出中，我们重点关注的应该是 free 列与 cached 列的输出值，由输出可知，此系统共 8G 内存，系统空闲内存还有925M，其中，Buffer Cache 占用了 243M，Page Cache 占用了 6299M，由此可知系统缓存了很多的文件和目录，而对于应用程序来说，可以使用的内存还有 7468M，当然这个 7468M 包含了 Buffer Cache 和 Page Cache 的值。在 swap 项可以看出，交换分区还未使用。所以从应用的角度来说，此系统内存资源还非常充足。

一般有这样一个经验公式：应用程序可用内存/系统物理内存>70%时，表示系统内存资源非常充足，不影响系统性能，应用程序可用内存/系统物理内存<20%时，表示系统内存资源紧缺，需要增加系统内存，20%<应用程序可用内存/系统物理内存<70%时，表示系统内存资源基本能满足应用需求，暂时不影响系统性能。

（2）sar/pidstat

此两个命令主要用于监控全部或指定进程占用系统资源的情况，如 CPU，内存、设备IO。

三个公用参数：-u（获取 CPU 状态） 、-r（获取内存状态） 、-d（获取磁盘）

常用组合：

sar -u 3 获取 cpu 3 秒内的状态

pidstat -r –p 1 3 获取内存 3 秒内的状态

看看以上两个命令的差别？

请看下面的一个输出：

其中：

Kbmemfree 表示空闲物理内存大小，kbmemused 表示已使用的物理内存空间大小，%memused 表示已使用内存占总内存大小的百分比，kbbuffers 和 kbcached 分别表示Buffer Cache 和 Page Cache 的大小，kbcommit 和%commit 分别表示应用程序当前使用的内存大小和使用百分比。

可以看出 sar 的输出其实与 free的输出完全对应，不过 sar 更加人性化，不但给出了内存使用量，还给出了内存使用的百分比以及统计的平均值。从%commit 项可知，此系统目前内存资源充足。

3、磁盘性能评估

（1）iostat –d 组合

iostat –d 2 3

通过“iostat –d”命令组合也可以查看系统磁盘的使用状况，请看如下输出：

对上面每项的输出解释如下：

• Blk_read/s 表示每秒读取的数据块数。

• Blk_wrtn/s 表示每秒写入的数据块数。

• Blk_read 表示读取的所有块数。

• Blk_wrtn 表示写入的所有块数。

（2）pidstat -d -p 31887 3

（3）sar -d 2 3

通过“sar –d”组合，可以对系统的磁盘 IO 做一个基本的统计，请看下面的一个输出：

对上面每项的输出解释如下：

• DEV 表示磁盘设备名称。

• tps 表示每秒到物理磁盘的传送数，也就是每秒的 I/O 流量。一个传送就是一个 I/O 请求，多个逻辑请求可以被合并为一个物理 I/O 请求。

• rd_sec/s 表示每秒从设备读取的扇区数（1 扇区=512 字节）。

• wr_sec/s 表示每秒写入设备的扇区数目。

• avgrq-sz 表示平均每次设备 I/O 操作的数据大小（以扇区为单位） 。

• avgqu-sz 表示平均 I/O 队列长度。

• await 表示平均每次设备 I/O 操作的等待时间（以毫秒为单位） 。

• svctm表示平均每次设备 I/O 操作的服务时间（以毫秒为单位） 。

• %util表示一秒中有百分之几的时间用于 I/O 操作。

Linux 中 I/O 请求系统与现实生活中超市购物排队系统有很多类似的地方，通过对超市购物排队系统的理解，可以很快掌握 linux 中 I/O 运行机制。比如：

• avgrq-sz 类似于超市排队中每人所买东西的多少。

• avgqu-sz 类似于超市排队中单位时间内平均排队的人数。

• await 类似于超市排队中每人的等待时间。

• svctm类似于超市排队中收银员的收款速度。

• %util类似于超市收银台前有人排队的时间比例。

对于磁盘 IO 性能，一般有如下评判标准：

正常情况下 svctm 应该是小于 await 值的，而 svctm 的大小和磁盘性能有关，CPU、内存的负荷也会对 svctm值造成影响，过多的请求也会间接的导致 svctm值的增加。

await 值的大小一般取决于 svctm 的值和 I/O 队列长度以及 I/O 请求模式，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，此时可以通过更换更快的硬盘来解决问题。

%util 项的值也是衡量磁盘 I/O 的一个重要指标，如果%util 接近 100%，表示磁盘产生的 I/O 请求太多，I/O 系统已经满负荷的在工作，该磁盘可能存在瓶颈。长期下去，势必影响系统的性能，可以通过优化程序或者通过更换更高、更快的磁盘来解决此问题。

4、网络性能评估

（1）ping 命令

请看下面的一个输出：

在这个输出中，time值显示了两台主机之间的网络延时情况，如果此值很大，则表示网络的延时很大，单位为毫秒。在这个输出的最后，是对上面输出信息的一个总结，packet loss 表示网络的丢包率，此值越小，表示网络的质量越高。

（2）netstat 命令

netstat –i （查看路由情况）

netstat –r（查看网络接口状态）

（3）mtr/traceroute 命令

跟踪网络路由状态，推荐使用 mtr，动态跟踪网络路由，用于排除网络问题非常方便。

三、系统性能分析标准

作者|sunyifeng

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