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磁盤文件系統(tǒng)

　　服務器性能優(yōu)化提升指南

　　什么是性能？

　　性能最通俗的衡量指標就是“時間”，cpU的使用率指的是cpU用于計算的時間占比，磁盤使用率指的是磁盤操作的時間占比，當cpU使用率100%時，意味著有部分請求來不及計算，響應時間增加或者超時；當磁盤使用率100%時，意味著有部分請求需要等待io操作，響應時間也會增加或者超時。換言之，所有的操作都在理想的時間內，就不存在“性能優(yōu)化“的問題。我們在分析性能的時候，總是會首先要找到是什么引起響應時間變慢了，對應單機性能的分析，一般我們會將目光鎖定在cpU和io上，因為對于應用程序一般分為cpU bound型和io bound型，即計算密集型或者讀寫密集型；至于內存，其性能因素往往也會反映到cpU或者io上，因為內存的設計初衷就是提高內核指令和應用程序的讀寫性能，當內存不足，系統(tǒng)可能進行大量的交換操作，這時候磁盤可能成為瓶頸；而缺頁、內存分配、釋放、復制、內存地址空間映射等等問題又可能引起cpU的瓶頸；更嚴重的情況是直接影響功能，這個就不僅僅是性能的問題了。性能優(yōu)化并不是一個孤立的課題，除了響應時間的考慮，我們往往還需要綜合功能完整性、安全性等等方面的問題。

　　性能分析的基礎性能優(yōu)化需要厚實的基礎知識：操作系統(tǒng)——操作系統(tǒng)管理著應用程序所需要的所有資源，例如cpU和io，當任何一個組件出現(xiàn)問題，我們的分析也是基于操作系統(tǒng)的，例如文件系統(tǒng)類型，磁盤類型，磁盤raid類型都需要操作系統(tǒng)管理和支持。系統(tǒng)編程技術——系統(tǒng)編程技術涉及到我們如何使用系統(tǒng)資源，例如對io的操作我們可以使用buffering i/o，也可以使用direct io，可以采用同步的方式，也可以采用異步的方式，可以使用多進程，也可以使用多線程的方式。懂得不同編程技術的原理，有利于問題的分析。應用程序——例如數(shù)據庫組件的數(shù)據類型、引擎、索引、復制、配置參數(shù)、備份、高可用等等都可能是性能問題的元兇。

　　性能分析的方法論

　　問題分析方面，各類方法論如金字塔思維、5w2H、麥肯錫七步法等等。套用5w2H方法，可以提出性能分析的幾個問題

　　what-現(xiàn)象的表現(xiàn)是什么樣的

　　when-什么時候發(fā)生

　　why-為什么會發(fā)生

　　where-哪個地方發(fā)生的問題

　　How much-耗費了多少資源，問題解決后能減少多少資源耗用

　　How to do-怎么解決問題

　　但是這些只能給出方向，性能分析需要找到原因需要更具體的方法，怎么解決一個問題也需要更加具體的方式。brendan gregg在《性能之巔：洞悉系統(tǒng)、企業(yè)與云計算》第二章中講到大量的方法，比較突出的如Use方法、負載特征歸納、性能監(jiān)控、靜態(tài)性能調優(yōu)、延時分析、工具法等等。其中工具法最具體，但是工具法也有自己的限制，如磁盤的飽和度，在磁盤使用率100%的時候，磁盤的負載可能還可以繼續(xù)增加。在實際分析問題中，負載特征歸納更有指導意義，靜態(tài)跟蹤和動態(tài)跟蹤讓我們更容易更直觀發(fā)現(xiàn)問題。cpU認識

　　cpU：cpU本身的架構和內核調度器的架構這里不做詳細講述，具體可以參考操作系統(tǒng)類書籍。但是仍然需要清楚一些概念：

　　.處理器

　　.核

　　.硬件線程

　　.cpU內存緩存

　　.時鐘頻率

　　.每指令周期數(shù)cpi和每周期指令數(shù)ipc

　　.cpU指令

　　.使用率

　　.用戶時間／內核時間

　　.調度器

　　.運行隊列

　　.搶占

　　.多進程

　　.多線程

　　.字長

　　針對應用程序，我們通常關注的是內核cpU調度器功能和性能

　　線程的狀態(tài)分析主要是分析線程的時間用在什么地方，而線程狀態(tài)的分類一般分為：on-cpU：執(zhí)行中，執(zhí)行中的時間通常又分為用戶態(tài)時間user和系統(tǒng)態(tài)時間sysoff-cpU：等待下一輪上cpU，或者等待i/o、鎖、換頁等等，其狀態(tài)可以細分為可執(zhí)行、匿名換頁、睡眠、鎖、空閑等狀態(tài)如果大量時間花在cpU上，對cpU的剖析能夠迅速解釋原因；如果系統(tǒng)時間大量處于off-cpu狀態(tài)，定位問題就會費時很多。

　　分析方法與工具在觀察cpU性能的時候，按照負載特征歸納的方法，可以檢查如下清單：

　　整個系統(tǒng)范圍內的cpU負載如何，cpU使用率如何，單個cpU的使用率呢？

　　cpU負載的并發(fā)程度如何？是單線程嗎？有多少線程？

　　哪個應用程序在使用cpU，使用了多少？

　　哪個內核線程在使用cpU，使用了多少？

　　中斷的cpU用量有多少？

　　用戶空間和內核空間使用cpU的調用路徑是什么樣的？

　　遇到了什么類型的停滯周期？

　　要回答上面的問題，使用系統(tǒng)性能分析工具最經濟和直接，這里列舉的工具足夠回答上面的問題：

　　上述問題中，調用路徑和停滯周期的分析可以使用perf工具，也可以使用dtrace等更靈活的工具。其中perf支持對各類內核時間的跟蹤計數(shù)統(tǒng)計，可以使用perf list查看。例如停滯周期分析可能十分復雜，需要對cpU和調度器架構有較系統(tǒng)的認識和了解，停滯的周期可能發(fā)生在一級、二級或者三級緩存，如緩存未命中，也可能是內存io和資源io上的停滯周期，perf中有諸如L1-dcahce-loads，L1-icache-loads等事件的計數(shù)統(tǒng)計。

　　實際案例火焰圖幫助分析cpU的調用路徑我們在壓測mysql在某機型上的非原地更新性能時，分析mysql服務器延時情況時，分析了cpU上主要的函數(shù)調用。使用perf top能夠看到調用次數(shù)的排名，但是調用關系不能展示出來。火焰圖很清晰地提供了調用關系的視圖（如下兩圖中的比例不同是因為perf top加了-p參數(shù)，火焰圖分析是針對整個系統(tǒng)）。

　　內存：

　　認識內存如前所述，內存是為提高效率而生，實際分析問題的時候，內存出現(xiàn)問題可能不只是影響性能，而是影響服務或者引起其他問題。同樣對于內存有些概念需要清楚：

　　主存

　　虛擬內存

　　常駐內存

　　地址空間

　　oom

　　頁緩存

　　缺頁

　　換頁

　　交換空間

　　交換

　　用戶分配器libc、glibc、libmalloc和mtmalloc

　　LinUX內核級sLUb分配器

　　分析方法與工具brendan在書中給出了一些問題，比如內存總線的平衡性，nUmA系統(tǒng)中，內存是否被分配到合適的節(jié)點中去等等，這些問題在實際分析問題的時候，并不能作為切入點，需要持續(xù)的分析。因此筆者簡化為如下清單：

　　系統(tǒng)范圍內的物理內存和虛擬內存使用率

　　換頁、交換、oom的情況

　　內核和文件系統(tǒng)緩存的使用情況

　　進程的內存用于何處

　　進程為何分配內存

　　內核為何分配內存

　　哪些進程在持續(xù)地交換

　　進程或者內存是否存在內存泄漏？

　　內存的分析工具如下

　　除了dtrace，所有的工具只能回答信息統(tǒng)計，進程的內存使用情況等等，至于是否發(fā)生內存泄漏等，只能通過分配跟蹤。但是dtrace需要對內核函數(shù)有很深入的了解，通過d語言編寫腳本完成跟蹤。perf也有一些諸如cache-miss、page-faults的事件用于跟蹤，但是并不直觀。

　　實際案例關于內存泄漏，從監(jiān)控和頂層觀察很難發(fā)現(xiàn)^[主機]問題，一般都是從底層程序代碼來分析，案例中使用各種觀察工具和跟蹤工具都不能很確定原因所在，只能通過分析代碼來排查問題。最終發(fā)現(xiàn)是lua腳本語言分配內存速度快，包驅動的周期性服務的用法中，lua自動回收不能迅速釋放內存，而是集中回收，如果頻繁回收又可能帶來cpU的壓力。開發(fā)項目組最后采用的解決方式為分步回收，每次回收一部分內存，然后周期性全量回收。

　　邏輯io vs 物理io通常在討論問題時，總是會分析io的負載，io的負載通常指的是磁盤io，也就是物理io，例如我們使用iostat獲取的avgqu-sz、svctm和until等指標。因為我們的讀寫最終都是來自或者去往磁盤的，關注磁盤的io情況非常正確。但是我們在進行讀寫操作的時候，面向的對象大多數(shù)時候并不會直接面向磁盤，而是面向文件系統(tǒng)的，除非使用raw io的方式。

　　如下圖為通用的io結構圖，如果你想了解更詳細，可以查看第二張圖片。我們知道LinUX通過文件系統(tǒng)將所有的硬件設備甚至網絡都抽象為文件來管理，例如read()調用時，實際就是就是調用了vfs_read函數(shù)，文件系統(tǒng)會確認請求的數(shù)據是否在頁緩存中，如果不在內存中，于是將請求發(fā)送到塊設備；此時內核會先獲取到數(shù)據在物理設備上的實際位置，然后將讀請求發(fā)送給塊設備的請求隊列中，io調度器會通過一定的調度算法，將請求發(fā)送給磁盤設備驅動層，執(zhí)行真正的讀操作。在這一過程中可能發(fā)生哪些情況呢？如果應用程序執(zhí)行的是大量的順序讀會怎樣？隨機讀又會怎樣？如果是順序讀，正確的做法就是進行預讀，讓請求的數(shù)據落到內存中，提升讀效率。所以在應用程序發(fā)起一次讀，從文件系統(tǒng)到磁盤的過程中，存在讀放大的問題。

　　在寫操作時同樣存在類似的情況，應用程序發(fā)起對文件系統(tǒng)的io操作，物理io與應用程序之間，有時候會顯得無關、間接、放大或者縮小。

　　無關：其他的應用程序：磁盤io來自其他的應用程序，如監(jiān)控，agent等其他用戶：如同虛擬機母機下的其他用戶其他內核任務：如重建raid，校驗等

　　間接：文件系統(tǒng)預讀：增加額外的io，但是可能預讀的數(shù)據無用文件系統(tǒng)緩沖：寫緩存推遲或者合并回寫磁盤，造成磁盤瞬時io壓力

　　放大：文件系統(tǒng)元數(shù)據：增大額外的io文件系統(tǒng)記錄尺寸：向上對齊等增加了io大小

　　縮?。何募到y(tǒng)緩存：直接讀取緩存，而不需要操作磁盤合并：一次性回寫磁盤文件系統(tǒng)抵消：同一地址更新多次，回寫磁盤時只保留最后一次修改壓縮：減少數(shù)據量

　　文件系統(tǒng)

　　分析與工具與文件系統(tǒng)相關的術語如下：

　　文件系統(tǒng)

　　VFs

　　文件系統(tǒng)緩存

　　頁緩存page cache

　　緩沖區(qū)高速緩存buffer cache

　　目錄緩存

　　inode

　　inode緩存

　　如下圖為文件系統(tǒng)緩存的結構圖，頁緩存緩存了虛擬內存的頁面，包括文件系統(tǒng)的頁面，提升了文件和目錄的性能。

　　Linux將緩沖區(qū)高速緩存放入到了頁緩存中，即page cache包含buffer cache。文件系統(tǒng)使用的內存臟頁由內核線程寫回磁盤，如圖中的頁面掃描器kswapd為后臺的頁面換出進程，當內存不足，超過一定時間（30s）或者有過多的臟頁時都會觸發(fā)磁盤回寫。

　　文件系統(tǒng)延時指的是一個文件系統(tǒng)邏輯請求從開始到結束的時間，包括在文件系統(tǒng)、內核磁盤io子系統(tǒng)以及等待磁盤設備響應的時間。同步訪問時，應用程序會在請求時阻塞，等待文件系統(tǒng)請求結束，異步方式下，文件系統(tǒng)對其并無直接影響，但^{[高防服務器租用]}是異步訪問也分select、poll、epoll等方式，也就是所謂的異步阻塞、異步非阻塞。在異步方式下，一般是打印出用戶層發(fā)起文件系統(tǒng)邏輯io的調用棧，得到調用了哪個函數(shù)產生了io。Linux未提供查看文件系統(tǒng)延時的工具和接口，但是磁盤的指標信息卻比較豐富，但是很多情況下，文件系統(tǒng)io和磁盤io之間并沒有直接關系，例如應用程序寫文件系統(tǒng)，但是根本不關心數(shù)據什么時候寫到磁盤了，而后臺刷數(shù)據到磁盤時，可能造成磁盤io負載增加，從磁盤角度，應用程序的寫入可能受到影響了，而實際上應用程序并沒有等待。

　　文件系統(tǒng)的分析可以試著回答下面的問題：哪個應用程序在使用文件系統(tǒng)？在對哪些文件進行操作？在進行什么樣的操作，讀寫比是多少，同步還是異步？文件系統(tǒng)的緩存有多大，目前的使用情況？有遇到什么錯誤嗎？是請求不合法，還是文件系統(tǒng)自身的問題？其實上面的問題，除了能夠看到系統(tǒng)的內存情況，頁緩存和buffer cache大小，能夠看到哪些進程在進行讀寫操作，在讀哪些文件，其他的比如應用程序對文件系統(tǒng)的讀寫比，同步還是異步，這些問題沒有工具能給出明確的信息。當然我們可以通過跟蹤應用程序的內核調用棧來發(fā)現(xiàn)問題，也可以在應用程序中輸出日志來幫助分析。

　　磁盤分析

　　與工具在理解磁盤io之前，同樣我們需要理解一些概念，例如：

　　虛擬磁盤

　　扇區(qū)

　　i/o請求

　　磁盤命令

　　帶寬

　　吞吐

　　i/o延時

　　服務時間

　　等待時間

　　隨機io/連續(xù)io

　　同步/異步

　　磁盤接口

　　raid

　　對于磁盤io，我們可以列出如下等問題來幫助我們分析性能問題：

　　每塊磁盤的使用率是多少？

　　每塊磁盤上有多長等待隊列？

　　平均服務時間和等待時間時多少？

　　是哪個應用程序或者用戶正在使用磁盤？

　　應用程序讀寫的方式是怎樣的？

　　為什么會發(fā)起磁盤io，內核調用路徑是什么樣的？

　　磁盤上的讀寫比是多少？

　　隨機io還是順序io？

　　Linux對磁盤的性能分析工具主要如下：

　　磁盤上是隨機io還是順序io，很多時候我們并沒有很好的方式去判斷，因為塊設備回寫磁盤的時候，隨機io可能已經被整理為順序io了。對于磁盤的分析同樣可以使用perf跟蹤事件或者dtrace設置探針。在分析mysql在某機型上做非全cache非原地更新時，為什么單實例無法將機器性能壓滿的時候，我們在分析的過程中跟蹤了塊設備的內核事件。我們對比了多實例非原地更新和單實例非原地更新的時候，磁盤的操作情況。如下為非原地更新時跟蹤的結果。對結果分析后看到，單實例非原地更新時，將近30%是blk_finish_plug，有70%是blk_queue_bio，而多實例時正好相反，大量的blk_finish_plug和少量的blk_queue_bio（當然，這不是為什么性能壓不滿的原因）。

　　究竟是什么促使虛擬空間的出現(xiàn)_盛行

　　對于一些初步認識互聯(lián)網并希望在互聯(lián)網上做出一番成就，但有一個最基本的誤區(qū)就是他們會認為建立網站一個域名和一個網頁就可以了，其實不然，其中還缺了一個組成成分，那就是網站空間。網站空間究竟是什么呢?在里面起到一個什么作用了，今天小編就帶大家解析其中奧秘。一般我們建站所用的網站空間其實指的是虛擬空間，虛擬空間官方的解釋是使用特殊的軟硬件技術，在一臺計算機中，劃分多個“虛擬”的主機，每臺虛擬空間分配到一個獨立的域名和IP地址(或者共享的IP地址)，具有完整的Internet服務器功能。通俗的理解就是好比一層樓，里面分配了很多間房。每一個房間里面有私人的床，柜子等等，而這些東西都能共享。究竟是什么促使虛擬空間的出現(xiàn)和盛行呢?這或許就是Internet技術和網絡發(fā)展的一個革命性的貢獻。多個虛擬空間共享一臺真實主機的資^[韓國vps]源，服務器和通訊線路的利用率得到了極大的提升，服務器上能夠毫無沖突地配置多個網絡IP地址而彼此沒有影響，用戶能夠利用虛擬空間把若干個帶有單獨域名的站點建置在一臺服務器上，不必再為建立一個站點而購置單獨的服務器。虛擬空間的好處顯而易見了，不但大大節(jié)省了購買網站空間和租用寬帶的費用，同時也不必為使用和維護服務器的技術問題擔心，大部分國內外^{[日本獨立服務器]}企業(yè)建站都使用虛擬空間，也省了專門的服務器管理人員。當然，虛擬空間也不是萬能的，畢竟虛擬空間是由一臺主機劃分出來，某些功能受到了服務器的限制，例如極大的耗用了系統(tǒng)資源的論壇程序，流量統(tǒng)計功能。數(shù)據庫類型、操作系統(tǒng)需要考慮服務商提供的功能支持。由此可見，虛擬空間雖然解省了成本，人力和時間，但是還是有很多缺點，這就需要我們不斷的優(yōu)化和改進，盡可能的開發(fā)出最滿足人們需求的虛擬空間。隨著技術的反戰(zhàn)，云計算技術在服務器行業(yè)的應用越來越普遍，基于此開發(fā)的新產品云虛擬空間、云主機和輕云主機等常見的云主機產品正日益取代舊的虛擬空間技術，幫助更多的企業(yè)搭建穩(wěn)定快速的網站空間。

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