Linux下的性能监控

CPU监控

首先介绍计算机中最重要的计算组件中央处理器 CPU，围绕 CPU 一般我们可以：

通过 top 命令，来观测 CPU 的性能；

通过负载，评估 CPU 任务执行的排队情况；

通过 vmstat，看 CPU 的繁忙程度。

1.top 命令 —— CPU 性能

如下图，当进入 top 命令后，按 1 键即可看到每核 CPU 的运行指标和详细性能。

CPU 的使用有多个维度的指标，下面分别说明：

• us 用户态所占用的 CPU 百分比，即引用程序所耗费的 CPU；
• sy 内核态所占用的 CPU 百分比，需要配合 vmstat 命令，查看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，经常使用它来判断 I/O 问题，过高输入输出设备可能存在非常明显的瓶颈；
• hi 硬中断所占用的 CPU 百分比；
• si 软中断所占用的 CPU 百分比；
• st 在平常的服务器上这个值很少发生变动，因为它测量的是宿主机对虚拟机的影响，即虚拟机等待宿主机 CPU 的时间占比，这在一些超卖的云服务器上，经常发生；
• id 空闲 CPU 百分比。

一般地，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。

2.负载 —— CPU 任务排队情况

如果我们评估 CPU 任务执行的排队情况，那么需要通过负载（load）来完成。除了 top 命令，使用 uptime 命令也能够查看负载情况，load 的效果是一样的。很多人看到 load 的值达到 1，就认为系统负载已经到了极限。这在单核的硬件上没有问题，但在多核硬件上，这种描述就不完全正确，它还与 CPU 的个数有关。例如：

单核的负载达到 1，总 load 的值约为 1；

双核的每核负载都达到 1，总 load 约为 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。

3.vmstat —— CPU 繁忙程度

要看 CPU 的繁忙程度，可以通过 vmstat 命令，下图是 vmstat 命令的一些输出信息。

比较关注的有下面几列：

• b 如果系统有负载问题，就可以看一下 b 列（Uninterruptible Sleep），它的意思是等待 I/O，可能是读盘或者写盘动作比较多；
• 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；
• cs 每秒钟上下文切换（Context Switch）的数量，如果上下文切换过于频繁，就需要考虑是否是进程或者线程数开的过多。

每个进程上下文切换的具体数量，可以通过查看内存映射文件获取，如下代码所示：

[root@localhost ~]# cat /proc/2788/status
...
voluntary_ctxt_switches: 93950
nonvoluntary_ctxt_switches: 171204

内存

我们在平常写完代码后，比如写了一个 C++ 程序，去查看它的汇编，如果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。学过计算机组成结构的同学应该都有了解。

逻辑地址可以映射到两个内存段上：物理内存和虚拟内存，那么整个系统可用的内存就是两者之和。比如你的物理内存是 4GB，分配了 8GB 的 SWAP 分区，那么应用可用的总内存就是 12GB。

1. top 命令

如上图所示，我们看一下内存的几个参数，从 top 命令可以看到几列数据，注意方块框起来的三个区域，解释如下：

• VIRT 这里是指虚拟内存，一般比较大，不用做过多关注；

• RES 我们平常关注的是这一列的数值，它代表了进程实际占用的内存，平常在做监控时，主要监控的也是这个数值；

• SHR 指的是共享内存，比如可以复用的一些 so 文件等。

2. CPU 缓存

由于 CPU 和内存之间的速度差异非常大，解决方式就是加入高速缓存。并且高级缓存会有多层，比如L1、L2、L3等缓存。

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，和 CPU 缓存相关的最典型的知识点，就是在并发编程中，针对 Cache line 的伪共享（False Sharing）问题。伪共享指的是在这些高速缓存中，以缓存行为单位进行存储，哪怕你修改了缓存行中一个很小很小的数据，它都会整个刷新。所以，当多线程修改一些变量的值时，如果这些变量都在同一个缓存行里，就会造成频繁刷新，无意中影响彼此的性能。

CPU 的每个核，基本是相同的，我们拿 CPU0 来说，可以通过以下的命令查看它的缓存行大小，这个值一般是 64。

cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index0/coherency_line_size
cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index1/coherency_line_size
cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index2/coherency_line_size
cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index3/coherency_line_size

当然，通过 cpuinfo 也能得到一样的结果：

[root@master01 cache]# cat /proc/cpuinfo | grep cache
cache size	: 4096 KB
cache_alignment	: 64
cache size	: 4096 KB
cache_alignment	: 64
cache size	: 4096 KB
cache_alignment	: 64
cache size	: 4096 KB
cache_alignment	: 64

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。具体情况，在 12 课时并行优化中，我们再详细讲解。

3. HugePage

这张图，上面有一个 TLB 组件【Translation Lookaside Buffer 根据功能可以译为快表，直译可以翻译为旁路转换缓冲，也可以把它理解成页表缓冲。里面存放的是一些页表文件（虚拟地址到物理地址的转换表）】，它的速度很快，但容量有限，在普通的 PC 机上没有什么瓶颈。但如果机器配置比较高，物理内存比较大，那就会产生非常多的映射表，CPU 的检索效率也会随之降低。

传统的页大小是 4KB，在大内存时代这个值偏小了，解决的办法就是增加页的尺寸，比如将其增加到 2MB，这样，就可以使用较少的映射表来管理大内存。而这种将页增大的技术，就是 Huge Page。同时，HugePage 也伴随着一些副作用，比如竞争加剧，但在一些大内存的机器上，开启后在一定程度上会增加性能。

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，指定堆的初始化大小和最大大小，但它的内存在真正用到时，才会分配；但如果加上 AlwaysPreTouch 这个参数，JVM 会在启动的时候，就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。

I/O

普通磁盘的随机写与顺序写相差非常大，但顺序写与 CPU 内存依旧不在一个数量级上。缓冲区依然是解决速度差异的唯一工具，但在极端情况下，比如断电时，就产生了太多的不确定性，这时这些缓冲区，都容易丢。

1. iostat

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 就可能非常高。

上图中的指标详细介绍如下所示。

• %util：我们非常关注这个数值，通常情况下，这个数字超过 80%，就证明 I/O 的负荷已经非常严重了。

• Device：表示是哪块硬盘，如果你有多块磁盘，则会显示多行。

• avgqu-sz：平均请求队列的长度，这和十字路口排队的汽车也非常类似。显然，这个值越小越好。

• awai：响应时间包含了队列时间和服务时间，它有一个经验值。通常情况下应该是小于 5ms 的，如果这个值超过了 10ms，则证明等待的时间过长了。

• svctm：表示操作 I/O 的平均服务时间。你可以回忆一下第 01 课时的内容，在这里就是 AVG 的意思。svctm 和 await 是强相关的，如果它们比较接近，则表示 I/O 几乎没有等待，设备的性能很好；但如果 await 比 svctm 的值高出很多，则证明 I/O 的队列等待时间太长，进而系统上运行的应用程序将变慢。