性能优化 | Linux性能优化实战分析

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性能优化 | Linux性能优化实战分析
原文转自：作者：Blue_Eye https://www.jianshu.com/p/2b6658ad59b3
Linux性能分析概要

1. 性能指标

linux性能指标.png

随着应用负载的增加，系统资源的使用也会升高，甚至达到极限。而性能问题的本质，就是系统资源已经达到瓶颈，但请求的处理却还不够快，无法支撑更多的请求。
性能分析，其实就是找出应用或系统的瓶颈，并设法去避免或者缓解它们，从而更高效地利用系统资源处理更多的请求。这包含了一系列步骤，比如：

选择指标评估应用程序和系统的性能

为应用程序和系统设置性能目标

进行性能基准测试

性能分析定位瓶颈

优化系统和应用程序

性能监控和告警

2. linux性能工具图谱

linux性能工具图谱.png
3. linux性能优化思维导图

linux性能优化思维导图.png

平均负载

1. 什么是平均负载？

平均负载：单位时间内，系统处于可运行状态和不可中断状态的平均进程数，也就是平均活跃进程数，它和 CPU 使用率并没有直接关系。

可运行状态的进程：正在使用 CPU 或者正在等待 CPU 的进程，也就是我们常用 ps 命令看到的处于 R 状态（Running 或 Runnable）的进程。
不可中断状态的进程：正处于内核态关键流程中的进程，并且这些流程是不可打断的，比如最常见的是等待硬件设备的 I/O 响应，也就是我们在 ps 命令中看到的 D 状态（Uninterruptible Sleep，也称为 Disk Sleep）的进程。

2. 平均负载为多少时合理
- 平均负载最理想的情况是等于 CPU 个数。
  查看系统有几个CPU
```
$ grep 'model name' /proc/cpuinfo | wc -l
2
```
- uptime 给了我们三个不同时间间隔的平均值，给我们提供了分析系统负载趋势的数据来源，让我们更全面、更立体地理解目前的负载情况。
  - 1 分钟、5 分钟、15 分钟 的三个值基本相同，或者相差不大，说明系统负载很平稳。
  - 如果1 分钟的值远小于15 分钟 的值，说明系统最近 1分钟的负载在减少，而过去15 分钟内却有很大的负载
  - 如果1 分钟 的值远大于 15 分钟的值，就说明最近 1 分钟的负载在增加。一旦 1 分钟的平均负载接近或超过了 CPU 的个数，就意味着系统正在发生过载的问题。
3. 平均负载与CPU使用率

平均负载不仅包括了正在使用 CPU 的进程，还包括了等待CPU和等待 I/O的进程。
CPU使用率是指单位时间内 CPU 繁忙情况的统计，跟平均负载并不一定完全对应。比如：
- CPU 密集型进程，使用大量 CPU 会导致平均负载升高，此时这两者是一致的；
- I/O 密集型进程，等待 I/O 也会导致平均负载升高，但 CPU 使用率不一定很高
- 大量等待 CPU 的进程调度也会导致平均负载升高，此时的 CPU 使用率也会比较高。
4. 检查平均负载的工具
- uptime：当前时间、系统运行时间、正在登录用户数、过去1分钟、5分钟、15分钟的平均负载
```
$ uptime
 00:19:43 up 2 min,  1 user,  load average: 3.15, 1.54, 0.60
```
```
# -d 参数表示高亮显示变化的区域
$ watch -d uptime
Every 2.0s: uptime                                      Wed Dec 26 00:21:14 2018
 00:21:14 up 3 min,  1 user,  load average: 0.87, 1.23, 0.58
```
- mpstat：查看 CPU 使用率的变化情况
```
# -P ALL 表示监控所有 CPU， 后面数字 5 表示间隔 5 秒输出一组数据
$ mpstat -P ALL 5
Linux 4.15.0-42-generic (c5220056-VirtualBox)   12/26/2018  _x86_64_    (2 CPU)
12:22:14 AM  CPU    %usr   %nice    %sys %iowait    %irq   %soft  %steal  %guest  %gnice   %idle

12:22:19 AM  all    4.55    0.00    3.31    0.00    0.00    0.21    0.00    0.00    0.00   91.93

12:22:19 AM    0    4.32    0.00    3.50    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00   92.18

12:22:19 AM    1    4.80    0.00    2.92    0.00    0.00    0.42    0.00    0.00    0.00   91.86
```
- pidsta
  
  查看进程 CPU 使用率情况
```
# 间隔 5 秒后输出一组数据

$ pidstat -u 5 1

Linux 4.15.0-42-generic (c5220056-VirtualBox)   12/26/2018  x86_64    (2 CPU)
12:24:54 AM   UID       PID    %usr %system  %guest    %CPU   CPU  Command

12:24:59 AM     0      1392    0.00    0.20    0.00    0.20     1  kworker/u4:25

12:24:59 AM     0      5863    0.00    0.20    0.00    0.20     0  dockerd

12:24:59 AM     0      6097    0.00    0.20    0.00    0.20     1  docker-containe

12:24:59 AM     0      7341    1.20    2.20    0.00    3.39     1  Xorg

12:24:59 AM  1000      8425    7.78    0.60    0.00    8.38     1  compiz

12:24:59 AM  1000      8500    0.20    0.00    0.00    0.20     1  vmtoolsd

12:24:59 AM  1000      8808    0.80    0.20    0.00    1.00     0  gnome-terminal-

12:24:59 AM  1000      9563    0.00    0.40    0.00    0.40     0  pidstat
Average:      UID       PID    %usr %system  %guest    %CPU   CPU  Command

Average:        0      1392    0.00    0.20    0.00    0.20     -  kworker/u4:25

Average:        0      5863    0.00    0.20    0.00    0.20     -  dockerd

Average:        0      6097    0.00    0.20    0.00    0.20     -  docker-containe

Average:        0      7341    1.20    2.20    0.00    3.39     -  Xorg

Average:     1000      8425    7.78    0.60    0.00    8.38     -  compiz

Average:     1000      8500    0.20    0.00    0.00    0.20     -  vmtoolsd

Average:     1000      8808    0.80    0.20    0.00    1.00     -  gnome-terminal-

Average:     1000      9563    0.00    0.40    0.00    0.40     -  pidstat
```
CPU 的上下文切换

在每个任务运行前， CPU 都需要知道任务从哪里加载、又从哪里开始运行、也就是说，需要系统事先给他设置好 CPU 寄存器和程序计数器（Program Counter， PC）

CPU 寄存器：是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。

程序计数器：是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。

它们都是 CPU 在运行任何任务前，比如的依赖环境，因此也被叫做 CPU 上下文。

CPU 上下文.png

上下文切换：就是先把前一个任务的 CPU 上下文（也就是 CPU 寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。

$color{red}{根据任务的不同}$ ， CPU 的上下文切换可以分为进程上下文切换、线程上下文切换以及中断上下文切换。

1. 进程上下文切换

Linux 按照特权等级，把进程的运行空间分为内核空间和用户空间
- 内核空间（Ring 0）具有最高权限，可以直接访问所有资源。
- 用户空间（Ring 3）只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，必须通过系统调用陷入到内核中，才能访问这些特权资源。
  
  Linux特权等级空间.png
进程上下文切换和系统调用的区别

进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态。所以，进程的上下文不仅包括了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态。

系统调用过程中，并不涉及到虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切换进程。
- 进程上下文切换，是指从一个进程切换到另一个进程进行。
- 系统调用过程中一直是同一个进程在运行。
因此，进程的上下文切换比系统调用时多了一步：在保存当前进程的内核状态和CPU寄存器之前，需要先把该进程的虚拟内存、栈等保存下来；而加载了下一个进程的内核态后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。

进程上下文切换.png

什么时候会切换进程上文
- 进程执行终止，它之前使用的 CPU 会释放出来，这时再从就绪队列里，拿一个新的进程过来运行。
- 当某个进程的时间片耗尽了，就会被系统挂起，切换到其他正在等待 CPU 的进程进行
- 进程在系统资源不足（比如内存不足）时，等到资源满足后才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其他进程运行。
- 当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度。
- 当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行。
- 发生硬件中断时，CPU 上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断程序服务。
2. 线程上下文切换

线程和进程的区别
- 线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。
- 当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程。
- 当进程拥有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源。这些资源在上下文切换时是不需要修改的。
- 线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等，这些在上下文切换时也是需要保存的。
线程的上下文切换两种情况
- 前后两个线程属于不同进程。此时，因为资源不共享，所以切换过程就跟进程上下文切换是一样的。
- 前后两个线程属于同一个进程。此时，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。
3. 中断上下文切换

中断处理会打断进程的正常调度和执行。在打断其他进程时，需要将进程当前的状态保存下来，中断结束后，进程仍然可以从原来的状态恢复运行。

进程上下文切换和中断上下文切换的区别
- 中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。所以，即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程，也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存、全局变量等用户态资源。中断上下文，其实只包括内核态中断服务程序执行所必须的状态，包括 CPU
  寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。
- 对同一个 CPU 来说，中断处理比进程拥有更高的优先级。
进程上下文切换和中断上文切换的相同之处
- 都需要消耗CPU，切换次数过多会耗费大量 CPU，甚至严重降低系统的整体性能。
4. CPU 上下文切换小结
- CPU 上下文切换，是保证 Linux 系统正常工作的核心功能之一，一般情况下不需要我们特别关注。
- 但过多的上下文切换，会把 CPU 时间消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，从而缩短进程真正运行的时间，导致系统的整体性能大幅下降。
如何查看系统的上下文切换情况
- vmstat：常用的系统性能分析工具，主要用来分析系统的内存使用情况，也常用来分析 CPU 上下文切换和中断次数。
  
  需要特别关注的四列内容：
  - cs (context switch)：每秒上下文切换的次数。
  - in (interrupt)：每秒中断的次数。
  - r (Running or Runnable) ：就绪队列的长度，也就是正在运行和等待 CPU 的进程数。
  - b (Blocked)：处在不可中断睡眠状态的进程数。
```
# 每隔 5 秒输出 1 组数据

$ vmstat 5

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----

r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st

0  0      0 5014224 290736 2060812    0    0    33    37  100  327  6  1 92  0  0

1  0      0 5014204 290736 2060844    0    0     0     0  321  926  4  1 95  0  0
```
注：vmstat 只给出了系统总体的上下文切换情况
- pidstat -w：查看每个进程的上下文切换情况
  
  关注两列内容：
  - cswch：每秒自愿上下文切换(voluntary context switches) 的次数。
  - nvcswch：每秒非自愿上下文切换(non voluntary context switches) 的次数。
    
    概念：
  - 自愿上下文切换：进程无法获取所需资源，导致的上下文切换。比如， I/O、内存等系统资源不足时。
  - 非自愿上下文切换：进程由于时间片已到等原因，被系统强制调度，进而发生的上下文切换。比如，大量进程都在争抢 CPU 时。
```
# 每隔 5 秒输出 1 组数据

$ pidstat -w 5

Linux 4.15.0-42-generic (c5220056-VirtualBox)   12/26/2018  x86_64    (2 CPU)
05:47:58 AM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command

05:48:03 AM     0         7      0.20      0.00  ksoftirqd/0

05:48:03 AM     0         8     15.57      0.00  rcu_sched

05:48:03 AM     0        11      0.20      0.00  watchdog/0

05:48:03 AM     0        14      0.20      0.00  watchdog/1
```
注：pidstat默认显示进程的指标数据，加上 -t 参数后，才会输出线程的指标。
- /proc/interrupts：查看中断发生的类型
```
# -d 参数表示高亮显示变化的区域

$ watch -d cat /proc/interrupts
```
根据上下文切换的类型做具体分析
- 自愿上下文切换变多，说明进程都在等待资源，有可能发生 I/O 等其他问题
- 非自愿上下文切换变多，说明进程都在被强制调度，也就是都在争抢CPU，说明CPU的确成了瓶颈
- 中断次数变多，说明 CPU 被中断处理程序占用，还需要通过查看 /proc/interrupts 文件来分析具体的中断类型。
CPU 使用率

查看/proc/stat，提供的是系统的 CPU 和任务统计信息。
- 第一行没有编号的 cpu 表示的是所有 CPU 的累加
- 其他列则表示不同场景下 CPU 的累加节拍数，单位是USER_HZ, 也就是 10 ms（1/100秒）
```
$ cat /proc/stat |grep ^cpu

cpu  3177 0 5996 34551 917 0 191 0 0 0

cpu0 1582 0 2980 17287 472 0 76 0 0 0

cpu1 1594 0 3016 17264 445 0 114 0 0 0
```
CPU使用率相关的重要指标
- user（us），代表用户态 CPU 时间。
- nice（ni），代表低优先级用户态 CPU 时间，也就是进程的 nice 值被调整为 1-19 之间时的 CPU 时间。nice 可取值范围是 -20
  到 19，数值越大，优先级反而越低
- system (sys)，代表内核态 CPU 时间。
- idle（us），代表空闲时间。注意，这里它不包括等待 I/O 的时间（iowait）。
- iowait(wa)，代表等待 I/O 的 CPU 时间。
- irq(hi)，代表处理硬中断的 CPU 时间
- softirq(si)，代表处理软中断的CPU 时间。
- steal(st),代表当系统运行在虚拟机中的时候，被其他虚拟机占用的 CPU 时间。
- guest(guest)，代表通过虚拟化运行其他操作系统的时间，也就是运行虚拟机的 CPU 时间
- giest_nice(gnice)，代表以低优先级运行虚拟机的时间。
CPU使用率的计算

CPU使用率的计算公式.png

查看 CPU 使用率
- top：显示系统总体的CPU 和内存使用情况，以及各个进程的资源使用情况。
- ps：只显示了每个进程的资源使用情况。
top 的输出：
```
# 默认每 3 秒刷新一次

top - 14:15:36 up  1:05,  1 user,  load average: 0.27, 0.22, 0.15

Tasks: 248 total,   1 running, 179 sleeping,   0 stopped,   0 zombie

%Cpu(s):  1.2 us,  0.7 sy,  0.0 ni, 98.1 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st

KiB Mem :  8168764 total,  6196696 free,   810812 used,  1161256 buff/cache

KiB Swap:  2095100 total,  2095100 free,        0 used.  7016500 avail Mem
PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND

8455 c5220056  20   0 1395968 229828  81832 S   3.0  2.8   4:44.39 compiz

6739 root      20   0  472636 106196  35576 S   1.7  1.3   0:30.13 Xorg

8751 c5220056  20   0  595952  35720  28220 S   0.7  0.4   0:01.41 gnome-terminal-

6033 root      20   0  568528  68736  39208 S   0.3  0.8   0:11.10 dockerd

10547 c5220056  20   0   49020   3868   3132 R   0.3  0.0   0:00.02 top

1 root      20   0  185428   6020   3968 S   0.0  0.1   0:04.82 systemd

2 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:00.03 kthreadd

4 root       0 -20       0      0      0 I   0.0  0.0   0:00.00 kworker/0:0H

6 root       0 -20       0      0      0 I   0.0  0.0   0:00.00 mm_percpu_wq

7 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:00.31 ksoftirqd/0

8 root      20   0       0      0      0 I   0.0  0.0   0:01.22 rcu_sched

9 root      20   0       0      0      0 I   0.0  0.0   0:00.00 rcu_bh

10 root      rt   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:00.03 migration/0

11 root      rt   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:00.01 watchdog/0

12 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:00.00 cpuhp/0

...
```
- pidstat
```
# 每隔 1 秒输出一组数据，共输出 2 组

$ pidstat 1 2

Linux 4.15.0-43-generic (c5220056-VirtualBox)   12/27/2018  x86_64    (2 CPU)
02:17:31 PM   UID       PID    %usr %system  %guest    %CPU   CPU  Command

02:17:32 PM     0      6739    0.99    1.98    0.00    2.97     0  Xorg

02:17:32 PM  1000      8455    8.91    0.00    0.00    8.91     1  compiz

02:17:32 PM  1000      8751    0.00    0.99    0.00    0.99     1  gnome-terminal-

02:17:32 PM  1000     10558    0.00    0.99    0.00    0.99     1  pidstat
02:17:32 PM   UID       PID    %usr %system  %guest    %CPU   CPU  Command

02:17:33 PM     0      6739    0.00    4.00    0.00    4.00     1  Xorg

02:17:33 PM  1000      8455   11.00    2.00    0.00   13.00     0  compiz

02:17:33 PM  1000      8751    2.00    0.00    0.00    2.00     1  gnome-terminal-

02:17:33 PM  1000     10558    0.00    1.00    0.00    1.00     1  pidstat
Average:      UID       PID    %usr %system  %guest    %CPU   CPU  Command

Average:        0      6739    0.50    2.99    0.00    3.48     -  Xorg

Average:     1000      8455    9.95    1.00    0.00   10.95     -  compiz

Average:     1000      8751    1.00    0.50    0.00    1.49     -  gnome-terminal-

Average:     1000     10558    0.00    1.00    0.00    1.00     -  pidstat
```
查看占用CPU的是代码里的哪个函数
- perf top 实时展示系统性能
  - Overhead：是该符号的性能事件在所有采样中的比例，用百分比来表示。
  - Shared：该函数或指令所在的动态共享对象(Dynamic Shared Object)，如内核、进程名、动态链接库名、内核模块名等。
  - Object:动态共享对象的类型。比如[.] 表示用户空间的可执行程序、或者动态链接库，而[k]则表示内核空间。
  - Symbol：函数名。当函数名未知时，用十六进制的地址来表示。
```
    Samples: 2K of event 'cycles:ppp', Event count (approx.): 1330995812

Overhead  Shared Object                       Symbol

9.20%  [kernel]                            [k] module_get_kallsym

3.96%  [kernel]                            [k] vsnprintf

2.73%  [kernel]                            [k] format_decode

2.73%  perf                                [.] 0x00000000001ea373

1.89%  [kernel]                            [k] number

1.88%  [kernel]                            [k] kallsyms_expand_symbol.constprop.1

1.69%  perf                                [.] 0x00000000001f6368

1.69%  [kernel]                            [k] memcpy_erms

1.43%  perf                                [.] 0x00000000001f77d0

1.34%  libc-2.27.so                        [.] __libc_calloc

1.24%  [kernel]                            [k] string
```
- perf record
  
  离线保存系统的性能信息，按Ctrl+C终止采样
- perf report
  
  解析perf record保存的采样信息
```
    Samples: 3K of event 'cycles:ppp', Event count (approx.): 1778811422

Overhead  Command          Shared Object                  Symbol

28.61%  swapper          [kernel.kallsyms]              [k] intel_idle

4.44%  Xorg             [kernel.kallsyms]              [k] pci_conf1_read

2.35%  kworker/1:2      [kernel.kallsyms]              [k] _nv029827rm

2.05%  Xorg             [kernel.kallsyms]              [k] _nv029827rm

1.76%  deepin-wm        [kernel.kallsyms]              [k] pci_conf1_read

1.61%  deepin-wm        [kernel.kallsyms]              [k] _nv029827rm

1.09%  irq/150-nvidia   [kernel.kallsyms]              [k] _nv029827rm

1.08%  deepin-wm        [kernel.kallsyms]              [k] syscall_return_via_sysret

0.91%  swapper          [unknown]                      [k] 0000000000000000

0.71%  Xorg             [kernel.kallsyms]              [k] _nv018294rm

0.41%  swapper          [kernel.kallsyms]              [k] update_load_avg

0.33%  Xorg             [vdso]                         [.] 0x0000000000000977
```
- 一般使用的时候会加上-g参数以开启调用关系的采样
```
    Samples: 36K of event 'cycles:ppp', Event count (approx.): 7290912532

Children      Self  Shared Object                                        Symbol

-   15.23%     1.57%  [unknown]                                            [k] 0000000000000000

- 7.58% 0

+   12.19%     0.14%  [kernel]                                            [k] entry_SYSCALL_64_after_hwframe

-   12.01%     0.28%  [kernel]                                            [k] do_syscall_64

- 3.03% do_syscall_64

-    8.65%     0.16%  [kernel]                                            [k] do_idle

- 1.75% do_idle

+    4.22%     0.02%  [kernel]                                            [k] call_cpuidle

+    4.09%     0.22%  [kernel]                                            [k] cpuidle_enter_state

+    4.01%     0.02%  [kernel]
```
进程 PID 在变的原因
- 第一个原因，进程在不停的崩溃重启，比如因为段错误、配置错误等等，这时，进程在退出后可能又被监控系统自动重启了
- 第二个原因，这些进程都是短时进程，也就是在其他应用内部通过exec调用的外面命令。这些命令一般都只运行很短的时间就会结束，你很难用 top 这种间隔时间比较长的工具发现。
查找一个进程的父进程
- pstree
```
$ pstree | grep stress

|-docker-containe-+-php-fpm-+-php-fpm---sh---stress

|         |-3*[php-fpm---sh---stress---stress]
```
小结
- 用户 CPU 和 Nice CPU 高，说明用户态进程占用了较多的CPU，所以应该着重排查进程的性能问题。
- 系统 CPU 高，说明内核态占用了较多的 CPU，所以应该着重排查内核线程或者系统调用的性能问题。
- I/O 等待 CPU 高，说明等待 I/O 的时间比较长，所以应该着重排查系统存储是不是出现了I/O问题。
- 软中断和硬中断高，说明软中断或硬中断的处理程序占用了较多的CPU，所以应该着重排查内核中的中断服务程序。
- 碰到常规问题无法解释的 CPU 使用率情况时，首先要想到有肯呢个是短时应用导致的问题，比如
  - 第一，应用里直接调用了其他二进制程序，这些程序通常运行时间比较短，通过 top 等工具也不容易发现。
  - 第二，应用本身在不停地崩溃重启，而启动过程的资源初始化，很可能会占用相当多的 CPU。
不可中断进程和僵尸进程

进程状态
- R ：Running或Runnable的缩写，表示进程在 CPU 的就绪队列中，正在运行或者正在等待运行。
- D：Disk Sleep 的缩写，也就是不可中断状态睡眠（Uninterruptible Sleep），一般表示进程正在跟硬件交互，并且交互过程不允许被其他进程中断打断。
- Z：Zombie的缩写，表示僵尸进程，也就是进程实际上已经结束了，但是父进程还没有回收它的资源（比如进程的描述符、PID等）。
- S:Interruptible Sleep的缩写，也就是可中断状态睡眠，表示进程因为等待某个事件而被系统挂起。
- I：Idle的缩写，也就是空闲状态，用在不可中断睡眠的内核线程上。
  
  -T/t：Stopped 或 Traced的缩写，表示进程处于暂停或者跟踪状态。
- X：Dead的缩写，表示进程已经消亡，所以你不会在 top 或者 ps 命令中看到它。
正常情况下，当一个进程创建了子进程后，它应该通过系统调用 wait() 或者 waitpid()等待子进程结束，回收子进程的资源；而子进程在结束时，会向它的父进程发送 SIGCHLD
信号，所以，父进程还可以注册SIGCHLD 信号的处理函数，异步回收资源。

如果父进程没这么快，或是子进程执行太快，父进程还没来得及处理子进程状态，子进程就已经提前退出，那这时的子进程就会变成僵尸进程。

通常，僵尸进程持续的时间都比较短，在父进程回收它的资源后就会消亡；或者在父进程退出后，由init进程回收后也会消亡。

一旦父进程没有处理子进程的终止，还一直保持运行状态，那么子进程就会一直处于僵尸状态。

进程组和会话
- 进程组：表示一组相互关联的进程，比如每个子进程都是父进程所在组的成员。
- 会话：指共享一个控制中断的一个或多个进程组。
找到僵尸进程父进程
- pstree
```
pstree -aps 10183

systemd,1 splash

└─dockerd,5962 -H fd://

└─docker-containe,6151 --config /var/run/docker/containerd/containerd.toml

└─docker-containe,10026 -namespace moby -workdir...

└─app,10055

└─(app,10183)
```
小结
- 不可中断状态，表示进程正在跟硬件交互，为了保护进程数据和硬件的一致性，系统不允许其他进程或中断打断这个进程。进程长时间处于不可中断状态，通常表示系统有 I/O 性能问题。
- 僵尸进程表示进程已经退出，但它的父进程还没有回收子进程占用的资源。短暂的僵尸状态我们通常不必理会，但进程长时间处于僵尸状态，就应该注意了，可能有应用程序没有正常处理子进程的退出。
- iowait 高不一定代表 I/O 有性能瓶颈。当系统中只有 I/O 类型的进程在运行时，iowait 也会很高，但实际上，磁盘的读写远没有达到性能瓶颈的程度。
- 碰到 iowait 升高时，需要先用 dstat、pidstat 等工具，确认是不是磁盘 I/O 的问题，然后再找是哪些进程导致了 I/O。等待 I/O 的进程一般是不可中断状态，所以用 ps
  命令找到 D 状态（即不可中断状态）的进程，多为可疑进程。
Linux 软中断

中断是一种异步的事件处理机制，可以提高系统的并发处理能力。中断处理程序会打断其他进程的运行，为了减少对正常进程运行调度的影响，中断处理程序就需要尽可能快地运行。

Linux 将中断处理过程分成了两个阶段，也就是上半部和下半部。
- 上半部用来快速处理中断，它在中断禁止模式下运行，主要处理跟硬件紧密相关的或时间敏感的工作。
- 下半部用来延时处理上半部未完成的工作，通常以内核线程的方式运行。
查看软中断和内核线程

proc文件系统是一种内核空间和用户空间进行通信的机制，可以用来查看内核的数据结构，或者用来动态修改内核的配置。
- /proc/softirqs提供了软中断的运行情况。
- /proc/interrupts提供了硬中断的运行情况。
在查看/proc/softirqs时，要特别注意：
```
# cat /proc/softirqs

CPU0       CPU1

HI:          0          0

TIMER:     121964     112390

NET_TX:        518         13

NET_RX:        437       3263

BLOCK:     263737     361157

IRQ_POLL:          0          0

TASKLET:         48       1811

SCHED:      65984      49594

HRTIMER:          0          0

RCU:      80938      78628
```
- 注意软中断的类型，也就是第一列内容。
- 注意同一种软中断在不同 CPU 上的分步情况，也就是同一行内容。
- 软中断实际上是以内核线程的方式运行的，每个 CPU 都对应一个软中断内核先后才能，这个软中断内核线程就叫做 ksoftirqd/CPU 编号。
查看线程运行状况
- ps
```
# ps aux|grep softirq

root         7  1.5  0.0      0     0 ?        S    04:25   0:45 [ksoftirqd/0]

root        16  1.6  0.0      0     0 ?        S    04:25   0:47 [ksoftirqd/1]
```
检查网络接收的软中断
- sar：用来查看系统的网络收发情况。不仅可以观察网络收发的吞吐量（BPS，每秒收发的字节数），还可以观察网络收发的PPS，即每秒收发的网络帧数。
```
# -n DEV 表示显示网络收发的报告，间隔 1 秒输出一组数据

$ sar -n DEV 1

15:03:46        IFACE   rxpck/s   txpck/s    rxkB/s    txkB/s   rxcmp/s   txcmp/s  rxmcst/s   %ifutil

15:03:47         eth0  12607.00   6304.00    664.86    358.11      0.00      0.00      0.00      0.01

15:03:47      docker0   6302.00  12604.00    270.79    664.66      0.00      0.00      0.00      0.00

15:03:47           lo      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00      0.00

15:03:47    veth9f6bbcd   6302.00  12604.00    356.95    664.66      0.00      0.00      0.00      0.05
```
第一列：表示报告的时间

第二列：IFACE 表示网卡

第三、四列：rxpck/s 和 txpck/s 分别表示每秒接收、发送的网络帧数，也就是PPS。

第五、六列：rxkB/s 和 txkB/s 分别表示每秒接收、发送的千字节数，也就是 BPS
- tcpdump
```
# -i eth0 只抓取 eth0 网卡，-n 不解析协议名和主机名

# tcp port 80 表示只抓取 tcp 协议并且端口号为 80 的网络帧

$ tcpdump -i eth0 -n tcp port 80

15:11:32.678966 IP 192.168.0.2.18238 > 192.168.0.30.80: Flags [S], seq 458303614, win 512, length 0

...
```
如何快速分析出系统 CPU 的瓶颈

CPU 性能指标

1. CPU 使用率

CPU使用率描述了非空闲时间占总 CPU 时间的百分比，根据 CPU 上运行任务的不同，又被分为用户 CPU、系统 CPU、等待 I/O CPU、软中断和硬中断等。
- 用户 CPU 使用率，包括用户态 CPU 使用率(user) 和低优先级用户态 CPU 使用率(nice)，表示 CPU 在用户态运行的时间百分比。用户 CPU 使用率高，通常说明有应用程序比较繁忙。
- 系统 CPU 使用率，表示 CPU 在内核态运行的时间百分比（不包括中断）。系统 CPU 使用率高，说明内核比较繁忙。
- 等待 I/O 的 CPU 使用率，通常也称为 iowait，表示等待 I/O 的时间百分比。iowait 高，通常说明系统与硬件设备的 I/O 交互时间比较长。
- 软中断和硬中断的 CPU 使用率，分别表示内核调用软中断处理程序、硬中断处理程序的时间百分比。它们的使用率高，通常说明系统发生了大量的中断。
- 除了上面这些，还有在虚拟环境中会用到的窃取 CPU 使用率(steal)和用户 CPU 使用率（guest），分别表示被其他虚拟机占用的 CPU 时间百分比，和运行客户虚拟机的 CPU 时间百分比。
2. 平均负载（Load Average）

平均负载，也就是系统的平均活跃进程数，它反映了系统的整体负载情况，主要包括三个数值，分别指过去 1 分钟、过去 5 分钟和过去 15 分钟的平均复制子。

理想情况下，平均负载等于逻辑 CPU 个数，这表示每个 CPU 都恰好被充分利用。如果平均负载大于逻辑 CPU 个数，就表示负载比较重了。

3.进程上下文切换
- 无法获取资源而导致的自愿上下文切换。
- 被系统强制调度导致的非自愿上下文切换。
4.CPU 缓存的命中率

由于 CPU 发展的速度远快于内存的发展， CPU 的处理速度就比内存的访问速度快得多。这样，CPU 在访问内存的时候，免不了要等待内存的响应。为了协调这两者巨大的性能差距，CPU缓存（通常是多级缓存）就出现了。

CPU 缓存.png

根据不断增长的热点数据，这些缓存按照大小不同分为L1、L2、L3等三级缓存，其中 L1 和 L2 常用在单核中，L3则用在多核中。

从 L1 到 L3，三级缓存的大小依次增大，相应的，性能依次降低（当然比内存还是好得多）。而它们的命中率，衡量的是 CPU 缓存的复用情况，命中率越高，则表示性能越好。

CPU性能指标思维导图

CPU性能指标

性能工具

第一个维度：从 CPU 的性能指标出发

从 CPU 的性能指标出发。也就是说，当你要查看某个性能指标时，要清楚知道哪些工具可以做到。

根据指标找工具（CPU性能）

第二个维度：从工具出发

从工具出发。也就是当你已经安装了某个工具后，要知道这个工具能提供哪些指标。

根据工具查指标（CPU性能）

快速分析 CPU 的性能瓶颈

想弄清楚性能指标的关联性，就要通晓每个性能指标的工作原理。

为了缩小排查范围，我通常会先运行几个支持指标较多的工具，如top、vmstat、pidstat。

关系图

CPU 性能优化的几个思路

怎么评估性能优化的效果

三步走：
1. 确定性能的量化指标
2. 测试优化前的性能指标。
3. 测试优化后的性能指标。
多个性能问题同时存在，要怎么选择？

并不是所有的性能问题都值得优化。

第一，如果发现是系统资源达到了瓶颈，比如CPU使用率达到了 100%，那么首先优化的一定是系统资源使用问题。完成系统资源瓶颈的优化后，我们吃爱要考虑其他问题。

第二，针对不同类型的指标，首先去优化哪些由瓶颈导致的，性能指标变化幅度最大的问题。比如产生瓶颈后，用户 CPU 使用率升高了10%，而系统系统CPU使用率却升高了50%，这个时候就应该首先优化系统 CPU 使用率。

有多种优化方法时，要如何选择？

性能优化并非没有成本。性能优化通常会带来复杂度的提升，降低程序的可维护性，还可能在优化一个指标时，引发其他指标的异常。

CPU 优化

应用程序优化

从应用程序的角度来说，降低 CPU 使用率最好的方法是，排除所有不必要的工作，只保留最核心的逻辑。比如减少循环层次、减少递归、减少动态内存分配等等。

常见的几种应用程序的性能优化方法：
- 编译器优化：很多编译器都会提供优化选项，适当开启它们，在编译阶段你就可以获得编译器的帮助，来提升性能。
- 算法优化：使用异步处理，可以避免程序因为等待某个资源而一直阻塞，从而提升程序的并发处理能力。
- 多线程代替多进程：线程的上下文切换并不切换进程地址空间，因此可以降低上下文切换的成本。
- 善用缓存：经常访问的数据或者计算过程中的不走，可以放在内存中缓存起来，这样在下次用时可以直接从内存中获取，加快程序的处理速度。
系统优化

从系统的角度来说，优化 CPU 的运行，一方面要充分利用 CPU 缓存的本地性，加速缓存访问；另一方面，就是要控制进程的 CPU 使用情况，减少进程间的相互影响。

常见的方法：
- CPU 绑定：把进程绑定到一个或者多个 CPU 上，可以提高 CPU 缓存的命中率，减少跨 CPU 调度带来的上下文切换问题。
- CPU 独占：跟 CPU 绑定类似，进一步将 CPU 分组，并通过 CPU 亲和性机制为其分配进程。这样，这些 CPU 就由指定的进程独占，换句话说，不允许其他进程再来使用这些 CPU。
- 优先级调整：使用 nice 调整进程的优先级，正值调低优先级，负值调高优先级。
- 为进程设置资源限制：使用 Linux cgroups来设置进程的 CPU 使用上线，可以防止由于某个应用自身的问题，而耗尽系统资源。
- NUMA(Non-Uniform Memory Access)优化：支持 NUMA 的处理器会被划分为多个 node，每个 node 都有自己的本地内存空间。 NUMA 优化，其实就是让 CPU 尽可能只访问本地内存。
- 中断负载均衡：无论是软中断还是硬中断，它们的中断处理程序都可能消耗大量的 CPU。开启irqbalance 服务或者配置 smp_affinity，就可以把中断处理过程自动负载均衡到多个CPU上。