性能分析(二)之浅尝辄止

性能分析

参考原文

一.系统性能定义

1. Throughput ，吞吐量。也就是每秒钟可以处理的请求数，任务数。

2. Latency， 系统延迟。也就是系统在处理一个请求或一个任务时的延迟。

主要受上边两个因素的影响

• THroughput越大,Latency会越差.因为请求量过大,系统繁忙,响应速度很慢

• Latency越好,能支持的Throughput就会越高.因为Latency短说明处理速度快,于是就可以处理更多的请求.

二.系统性能测试

• 首先，需要定义Latency这个值，比如说，对于网站系统响应时间必需是5秒以内（对于某些实时系统可能需要定义的更短，比如5ms以内，这个更根据不同的业务来定义）

• 其次，开发性能测试工具，一个工具用来制造高强度的Throughput，另一个工具用来测量Latency。对于第一个工具，你可以参考一下“十个免费的Web压力测试工具”，关于如何测量Latency，你可以在代码中测量，但是这样会影响程序的执行，而且只能测试到程序内部的Latency，真正的Latency是整个系统都算上，包括操作系统和网络的延时，你可以使用Wireshark来抓网络包来测量。这两个工具具体怎么做，这个还请大家自己思考去了。

• 最后，开始性能测试。你需要不断地提升测试的Throughput，然后观察系统的负载情况，如果系统顶得住，那就观察Latency的值。这样，你就可以找到系统的最大负载，并且你可以知道系统的响应延时是多少。(这是压测的样子,压测和性能都有这个)

再多说一些,

• 关于Latency，如果吞吐量很少，这个值估计会非常稳定，当吞吐量越来越大时，系统的Latency会出现非常剧烈的抖动，所以，我们在测量Latency的时候，我们需要注意到Latency的分布，也就是说，有百分之几的在我们允许的范围，有百分之几的超出了，有百分之几的完全不可接受。也许，平均下来的Latency达标了，但是其中仅有50%的达到了我们可接受的范围。那也没有意义。

• 关于性能测试，我们还需要定义一个时间段。比如：在某个吞吐量上持续15分钟。因为当负载到达的时候，系统会变得不稳定，当过了一两分钟后，系统才会稳定。另外，也有可能是，你的系统在这个负载下前几分钟还表现正常，然后就不稳定了，甚至垮了。所以，需要这么一段时间。这个值，我们叫做峰值极限

• 性能测试还需要做Soak Test，也就是在某个吞吐量下，系统可以持续跑一周甚至更长。这个值，我们叫做系统的正常运行的负载极限。

  阶段总结:性能测试有很多很复要的东西，比如：burst test等。 这里不能一一详述，这里只说了一些和性能调优相关的东西。总之，性能测试是一细活和累活。

三、定位性能瓶颈(比较重要的)

查看操作系统负载

思路:

　　当我们系统有问题的时候，我们不要急于去调查我们代码，这个毫无意义。我们首要需要看的是操作系统的报告。看看操作系统的CPU利用率，看看内存使用率，看看操作系统的IO，还有网络的IO，网络链接数，等等。Windows下的perfmon是一个很不错的工具，Linux下也有很多相关的命令和工具，比如：SystemTap，LatencyTOP，vmstat, sar, iostat, top, tcpdump等等 。通过观察这些数据，我们就可以知道我们的软件的性能基本上出在哪里

1.先看CPU利用率，如果CPU利用率不高，但是系统的Throughput和Latency上不去了，这说明我们的程序并没有忙于计算，而是忙于别的一些事，比如IO。（另外，CPU的利用率还要看内核态的和用户态的，内核态的一上去了，整个系统的性能就下来了。而对于多核CPU来说，CPU 0 是相当关键的，如果CPU 0的负载高，那么会影响其它核的性能，因为CPU各核间是需要有调度的，这靠CPU0完成）

2）然后，我们可以看一下IO大不大，IO和CPU一般是反着来的，CPU利用率高则IO不大，IO大则CPU就小。关于IO，我们要看三个事，一个是磁盘文件IO，一个是驱动程序的IO（如：网卡），一个是内存换页率。这三个事都会影响系统性能。

3）然后，查看一下网络带宽使用情况，在Linux下，你可以使用iftop, iptraf, ntop, tcpdump这些命令来查看。或是用Wireshark来查看。

4）如果CPU不高，IO不高，内存使用不高，网络带宽使用不高。但是系统的性能上不去。这说明你的程序有问题，比如，你的程序被阻塞了。可能是因为等那个锁，可能是因为等某个资源，或者是在切换上下文。

使用Profiler测试

　　接下来，我们需要使用性能检测工具，也就是使用某个Profiler来差看一下我们程序的运行性能。如：Java的JProfiler/TPTP/CodePro Profiler，GNU的gprof，IBM的PurifyPlus，Intel的VTune，AMD的CodeAnalyst，还有Linux下的OProfile/perf，后面两个可以让你对你的代码优化到CPU的微指令级别，如果你关心CPU的L1/L2的缓存调优，那么你需要考虑一下使用VTune。 使用这些Profiler工具，可以让你程序中各个模块函数甚至指令的很多东西，如：运行的时间 ，调用的次数，CPU的利用率，等等。这些东西对我们来说非常有用。

我们重点观察运行时间最多，调用次数最多的那些函数和指令。这里注意一下，对于调用次数多但是时间很短的函数，你可能只需要轻微优化一下，你的性能就上去了（比如：某函数一秒种被调用100万次，你想想如果你让这个函数提高0.01毫秒的时间 ，这会给你带来多大的性能）

关于代码定位的术

　　使用Profiler有个问题我们需要注意一下，因为Profiler会让你的程序运行的性能变低，像PurifyPlus这样的工具会在你的代码中插入很多代码，会导致你的程序运行效率变低，从而没发测试出在高吞吐量下的系统的性能，对此，一般有两个方法来定位系统瓶颈：

1）在你的代码中自己做统计，使用微秒级的计时器和函数调用计算器，每隔10秒把统计log到文件中。

2）分段注释你的代码块，让一些函数空转，做Hard Code的Mock，然后再测试一下系统的Throughput和Latency是否有质的变化，如果有，那么被注释的函数就是性能瓶颈，再在这个函数体内注释代码，直到找到最耗性能的语句。

最后再说一点，对于性能测试，不同的Throughput会出现不同的测试结果，不同的测试数据也会有不同的测试结果。所以，用于性能测试的数据非常重要，性能测试中，我们需要观测试不同Throughput的结果。

四、常见的系统瓶颈

用空间换时间

　　各种cache如CPU L1/L2/RAM到硬盘，都是用空间来换时间的策略。这样策略基本上是把计算的过程一步一步的保存或缓存下来，这样就不用每次用的时候都要再计算一遍，比如数据缓冲，CDN，等

用时间换空间

　　有时候，少量的空间可能性能会更好，比如网络传输，如果有一些压缩数据的算法（如前些天说的“Huffman 编码压缩算法” 和 “rsync 的核心算法”），这样的算法其实很耗时，但是因为瓶颈在网络传输，所以用时间来换空间反而能省时间。

简化代码

　　最高效的程序就是不执行任何代码的程序，所以，代码越少性能就越高。关于代码级优化的技术大学里的教科书有很多示例了。如：减少循环的层数，减少递归，在循环中少声明变量，少做分配和释放内存的操作，尽量把循环体内的表达式抽到循环外，条件表达的中的多个条件判断的次序，尽量在程序启动时把一些东西准备好，注意函数调用的开销（栈上开销），注意面向对象语言中临时对象的开销，小心使用异常（不要用异常来检查一些可接受可忽略并经常发生的错误），…… 等等，等等，这连东西需要我们非常了解编程语言和常用的库。

并行处理

　　如果CPU只有一个核，你要玩多进程，多线程，对于计算密集型的软件会反而更慢（因为操作系统调度和切换开销很大），CPU的核多了才能真正体现出多进程多线程的优势。并行处理需要我们的程序有Scalability，不能水平或垂直扩展的程序无法进行并行处理。从架构上来说，这表再为——是否可以做到不改代码只是加加机器就可以完成性能提升？

作者的笑笑总结:根据2：8原则来说，20%的代码耗了你80%的性能，找到那20%的代码，你就可以优化那80%的性能。

算法调优

　　算法非常重要,好的算法会有更好的性能,举几个我经历过的项目的例子,大家可以感受一下.

• 一个是过滤算法，系统需要对收到的请求做过滤，我们把可以被filter in/out的东西配置在了一个文件中，原有的过滤算法是遍历过滤配置，后来，我们找到了一种方法可以对这个过滤配置进行排序，这样就可以用二分折半的方法来过滤，系统性能增加了50%。

• 一个是哈希算法。计算哈希算法的函数并不高效，一方面是计算太费时，另一方面是碰撞太高，碰撞高了就跟单向链表一个性能（可参看Hash Collision DoS 问题）。我们知道，算法都是和需要处理的数据很有关系的，就算是被大家所嘲笑的“冒泡排序”在某些情况下（大多数数据是排好序的）其效率会高于所有的排序算法。哈希算法也一样，广为人知的哈希算法都是用英文字典做测试，但是我们的业务在数据有其特殊性，所以，对于还需要根据自己的数据来挑选适合的哈希算法。对于我以前的一个项目，公司内某牛人给我发来了一个哈希算法，结果让我们的系统性能上升了150%。（关于各种哈希算法，你一定要看看StackExchange上的这篇关于各种hash算法的文章 ）

• 分而治之和预处理。以前有一个程序为了生成月报表，每次都需要计算很长的时间，有时候需要花将近一整天的时间。于是我们把我们找到了一种方法可以把这个算法发成增量式的，也就是说我每天都把当天的数据计算好了后和前一天的报表合并，这样可以大大的节省计算时间，每天的数据计算量只需要20分钟，但是如果我要算整个月的，系统则需要10个小时以上（SQL语句在大数据量面前性能成级数性下降）。这种分而治之的思路在大数据面前对性能有很帮助，就像merge排序一样。SQL语句和数据库的性能优化也是这一策略，如：使用嵌套式的Select而不是笛卡尔积的Select，使用视图，等等。

代码调优

字符串操作

　　一个例子是，我(作者)以前有个同事把一些状态码用字符串来处理，他的理由是，这样可以在界面上直接显示，后来性能调优的时候，我把这些状态码全改成整型，然后用位操作查状态，因为有一个每秒钟被调用了150K次的函数里面有三处需要检查状态，经过改善以后，整个系统的性能上升了30%左右。

多线程调优

　　对于Java对象的引用计数，如果我猜的没错的话，到处都是锁，所以，Java的性能问题一直是个问题。

内存分配

　　不要小看程序的内存分配。malloc/realloc/calloc这样的系统调非常耗时，尤其是当内存出现碎片的时候。

异步操作

　　我们知道Unix下的文件操作是有block和non-block的方式的，像有些系统调用也是block式的，如：Socket下的select，Windows下的WaitforObject之类的，如果我们的程序是同步操作，那么会非常影响性能，我们可以改成异步的，但是改成异步的方式会让你的程序变复杂。异步方式一般要通过队列，要注间队列的性能问题，另外，异步下的状态通知通常是个问题，比如消息事件通知方式，有callback方式，等，这些方式同样可能会影响你的性能

语言和代码库

略

网络调优(概念股)

TCP调优

　　一般来说一个系统可以支持的TCP链接数是有限的，我们需要清楚地认识到TCP链接对系统的开销是很大的,比如著名的SYNC Flood攻击

UDP调优

　　说到UDP的调优，有一些事我想重点说一样，那就是MTU——最大传输单元（其实这对TCP也一样，因为这是链路层上的东西）

网卡调优

略

其它网络性能

　　关于多路复用技术，也就是用一个线程来管理所有的TCP链接，有三个系统调用要重点注意：一个是select，这个系统调用只支持上限1024个链接，第二个是poll，其可以突破1024的限制，但是select和poll本质上是使用的轮询机制，轮询机制在链接多的时候性能很差，因主是O(n)的算法，所以，epoll出现了，epoll是操作系统内核支持的，仅当在链接活跃时，操作系统才会callback，这是由操作系统通知触发的，但其只有Linux Kernel 2.6以后才支持（准确说是2.5.44中引入的），当然，如果所有的链接都是活跃的，过多的使用epoll_ctl可能会比轮询的方式还影响性能，不过影响的不大

系统调优

I/O模型

　　前面说到过select/poll/epoll这三个系统调用，我们都知道，Unix/Linux下把所有的设备都当成文件来进行I/O，所以，那三个操作更应该算是I/O相关的系统调用。说到 I/O模型，这对于我们的I/O性能相当重要，我们知道，Unix/Linux经典的I/O方式是（关于Linux下的I/O模型，大家可以读一下这篇文章《使用异步I/O大大提高性能》）：

第一种，同步阻塞式I/O，这个不说了。

第二种，同步无阻塞方式。其通过fctnl设置 O_NONBLOCK 来完成。

第三种，对于select/poll/epoll这三个是I/O不阻塞，但是在事件上阻塞，算是：I/O异步，事件同步的调用。

第四种，AIO方式。这种I/O 模型是一种处理与 I/O 并行的模型。I/O请求会立即返回，说明请求已经成功发起了。在后台完成I/O操作时，向应用程序发起通知，通知有两种方式：一种是产生一个信号，另一种是执行一个基于线程的回调函数来完成这次 I/O 处理过程。

多核*CPU*调优

　　关于CPU的多核技术，我们知道，CPU0是很关键的，如果0号CPU被用得过狠的话，别的CPU性能也会下降，因为CPU0是有调整功能的，所以，我们不能任由操作系统负载均衡，因为我们自己更了解自己的程序，所以，我们可以手动地为其分配CPU核，而不会过多地占用CPU0，或是让我们关键进程和一堆别的进程挤在一起。

数据库调优

　　数据库调优是比较重要的

1.数据库引擎调优

数据库的锁的方式

　　这个非常非常地重要。并发情况下，锁是非常非常影响性能的。各种隔离级别，行锁，表锁，页锁，读写锁，事务锁，以及各种写优先还是读优先机制,不要锁性能最高,分库分表，冗余数据，减少一致性事务处理，可以有效地提高性能。NoSQL就是牺牲了一致性和事务处理，并冗余数据，从而达到了分布式和高性能。

1)数据库的存储机制

　　不但要搞清楚各种类型字段是怎么存储的，更重要的是数据库的数据存储方式，是怎么分区的，是怎么管理的，比如Oracle的数据文件，表空间，段，等等。了解清楚这个机制可以减轻很多的I/O负载。比如：MySQL下使用show engines;可以看到各种存储引擎的支持。不同的存储引擎有不同的侧重点，针对不同的业务或数据库设计会让你有不同的性能。

2)SQL语句优化

　　还可以使用explain来看看SQL语句最终Execution Plan会是什么样的;优其应对那些多表查询的SQL语句，那是相当的耗内存。

下面我根据(作者)有限的数据库SQL的知识说几个会有性能问题的SQL：

全表检索

　　比如：select * from user where lastname = “xxxx”，这样的SQL语句基本上是全表查找，线性复杂度O(n)，记录数越多，性能也越差（如：100条记录的查找要50ms，一百万条记录需要5分钟）。对于这种情况，我们可以有两种方法提高性能：一种方法是分表，把记录数降下来，另一种方法是建索引（为lastname建索引）。索引就像是key-value的数据结构一样，key就是where后面的字段，value就是物理行号，对索引的搜索复杂度是基本上是O(log(n)) ——用B-Tree实现索引（如：100条记录的查找要50ms，一百万条记录需要100ms）。

索引

　　对于索引字段，最好不要在字段上做计算、类型转换、函数、空值判断、字段连接操作，这些操作都会破坏索引原本的性能。当然，索引一般都出现在Where或是Order by字句中，所以对Where和Order by子句中的子段最好不要进行计算操作，或是加上什么NOT之类的，或是使用什么函数。

多表查询

　　关系型数据库最多的操作就是多表查询，多表查询主要有三个关键字，EXISTS，IN和JOIN（关于各种join，可以参看图解SQL的Join一文）。基本来说，现代的数据引擎对SQL语句优化得都挺好的，JOIN和IN/EXISTS在结果上有些不同，但性能基本上都差不多。有人说，EXISTS的性能要好于IN,IN的性能要好于JOIN

JOIN操作

　　有人说，Join表的顺序会影响性能，只要Join的结果集是一样，性能和join的次序无关。因为后台的数据库引擎会帮我们优化的。Join有三种实现算法，嵌套循环，排序归并，和Hash式的Join。（MySQL只支持第一种,格老子记到）

• 嵌套循环，就好像是我们常见的多重嵌套循环。注意，前面的索引说过，数据库的索引查找算法用的是B-Tree，这是O(log(n))的算法，所以，整个算法复法度应该是O(log(n)) * O(log(m)) 这样的。

• Hash式的Join，主要解决嵌套循环的O(log(n))的复杂，使用一个临时的hash表来标记。

• 排序归并，意思是两个表按照查询字段排好序，然后再合并。当然，索引字段一般是排好序的

部分结果集

　　我们知道MySQL里的Limit关键字，Oracle里的rownum，SQL Server里的Top都是在限制前几条的返回结果

字符串

　　正如我前面所说的，字符串操作对性能上有非常大的恶梦，所以，能用数据的情况就用数字，比如：时间，工号，等

全文检索

　　千万不要用Like之类的东西来做全文检索，如果要玩全文检索，可以尝试使用Sphinx。

其它高手的操作

• 不要select *，而是明确指出各个字段，如果有多个表，一定要在字段名前加上表名，不要让引擎去算。

• 不要用Having，因为其要遍历所有的记录。性能差得不能再差。

• 尽可能地使用UNION ALL 取代 UNION。

• 索引过多，insert和delete就会越慢。而update如果update多数索引，也会慢，但是如果只update一个，则只会影响一个索引表。