2019 小土刀再启程

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【书摘】性能之巅：洞悉系统、企业与云计算

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对于性能优化，最大的太占就是性能分析，而性能分析要求我们对于操作系统、网络的性能要了如指掌，明细各个部分的执行时间数量级，做出合理的判断。

性能的话题，从一开始就是复杂的。性能是一种典型的非功能需求，然而又贯穿在任何一种功能需求中，直接影响系统运行效率和用户体验。也正是由于这一特性，性能无法简单地通过单一的、直线式的思维来度量和管理，而注定需要以系统工程的方式来掌握和调整。

学生时代课本上计算机科学哪些诸多的概念和理论所呈现出的完美感觉更多是在书本上，在真实系统中往往更多是另外一副更为『现实』的景象。当系统庞大到一定程度时，其复杂性会变得不容易控制是一件很正常的事情。用技术手段把这些『失控』的点妥善摆平就是工程师价值的体现。

前言

性能问题可能来源于任何地方，包括系统中因你一无所知而不曾检查的地方（未知的未知）。

操作系统是一个复杂的软件体，管理着各种不断变化的物理设备，应对着不同的新应用程序的工作负载。内核也在持续地发展，不断增加新的特性以提高特定的工作负载的性能，随着系统继续扩展，所遇到的瓶颈被逐一移除。改进操作系统性能需要不断的分析和努力，这样才能带来性能的持续提升。

第一章 绪论

系统性能是对整个系统的研究，包括了所有的硬件组件和整个软件栈。所有数据路径上和软硬件上所发生的事情都包括在内，因为这些都有可能影响性能。

性能领域包括了以下的事情，如：

  1. 设置性能目标和建立性能模型
  2. 基于软件或硬件原型进行性能特征归纳
  3. 对开发代码进行性能分析（软件整合之前）
  4. 执行软件非回归性测试（软件发布前或发布后）
  5. 针对软件发布版本的基准测试
  6. 目标环境中的概念验证测试
  7. 生产环境部署的配置优化
  8. 监控生产环境中运行的软件
  9. 特定问题的性能分析

术语容量规划(capacity planning)指的是一系列事前行动。在设计阶段，包括通过研究开发软件的资源占用情况，来得知原有设计在多大程度上能满足目标需求。在部署后，包括监控资源的使用情况，这样问题在出现之前就能被预测。

性能分析必须量化问题的重要程度，有一个指标非常合适，就是延时(latency)。

动态跟踪技术把所有的软件变得可以监控，而且能用在真实的生产环境中。这项技术利用内存中的 CPU 指令并在这些指令之上动态构建检测数据。这样能从任何运行的软件中都可以获得定制话的性能统计数据，从而提供了远超系统的自带统计所能给予的观测性。

DTrace 对用户态和内核态的软件都提供了静态跟踪和动态跟踪，并且数据是实时产生的

第二章 方法

在取得数据之前就把事情理论化是一个严重的错误。不理智的人扭曲事实来适应理论，而不是改变理论来适应事实。

面对一个性能不佳且复杂的系统环境时，首先需要知道的挑战就是从什么地方开始分析、收集什么样的数据，以及如何分析这些数据。

受测系统

扰动(perturbation)是会影响结果的，扰动包括定时执行的系统活动、系统的其他用户以及其他的工作负载。现代环境的另一个困难是系统很可能由若干个网络化的组件组成，都用于处理输入工作负载，包括负载平衡、Web 服务器、数据库服务器、应用程序服务器，以及存储系统。

排队系统

第三章 操作系统

了解操作系统和它的内核对于系统性能分析是至关重要的。你会经常需要进行针对系统行为的开发和测试，如系统调用是如何执行的、CPU 是如何调度线程的、有限大小的内存是如何影响性能的，或者是文件系统是如何处理 I/O 的。

这部分的内容本书主要介绍了基本的概念，最好还是结合《深入理解计算机系统》来弄懂，不然真的很容易一知半解，列举如下：

  • 内核：内核执行、时钟、内核态
  • 栈：用户栈和内核栈
  • 中断和中断线程
  • 中断优先级
  • 进程：进程创建、进程生命周期、进程环境
  • 系统调用
  • 虚拟内存
  • 内存管理
  • 调度器
  • 文件系统：VFS、I/O 栈
  • 缓存（括号内为例子）：应用程序缓存、服务器缓存(Apache 缓存)、缓存服务器(Redis)、数据库缓存(MySQL 缓冲区高速缓存)、目录缓存(DNLC)、文件元数据缓存(inode 缓存)、操作系统缓冲区高速缓存(segvn)、文件系统主缓存(ZFS ARC)、文件系统次缓存(ZFS L2ARC)、设备缓存(ZFS vdev)、块缓存(缓冲区高速缓存)、磁盘控制器缓存(RAID 卡缓存)、存储阵列缓存、磁盘内置缓存
  • 网络
  • 设备驱动
  • 多处理器：CPU 交叉调用
  • 抢占
  • 资源管理
  • 观测性

第四章 观测工具

性能观测工具可以按照系统级别和进程级别来分类，多数的工具要么基于计数器要么基于跟踪：

计数器

内核维护了各种统计数据，称为计数器，用于对事件计数。通常计数器实现为无符号的整型数，发生事件时递增。

系统级别的计数器有：

  • vmstat: 虚拟内存和物理内存的统计，系统级别
  • mpstat: 每个 CPU 的使用情况
  • iostat: 每个磁盘 I/O 的使用情况，由块设备接口报告
  • netstat: 网络接口的统计，TCP/IP 栈的统计，以及每个连接的一些统计信息
  • sar: 各种各样的统计，能归档历史数据

进程级别：

  • ps: 进程状态，显示进程的各种统计信息，包括内存和 CPU 的使用
  • top: 按一个统计数据排序，显示排名高的进程
  • pmap: 将进程的内存段和使用统计一起列出

一般来说，上述这些工具是从 /proc 文件系统里读取统计信息的。

跟踪

跟踪收集每一个事件的数据以供分析。跟踪框架一般默认是不启用的，因为跟踪捕获数据会有 CPU 开销，另外还需要不小的存储空间来存放数据。

系统级别：

  • tcpdump: 网络包跟踪(libpcap lib)
  • blktrace: 块 I/O 跟踪
  • DTrace: 跟踪内核的内部活动和所有资源的使用情况，支持静态和动态的跟踪
  • SystemTap: 同上
  • perf: Linux 性能事件，跟踪静态和动态的指针

进程级别：

  • strace: 系统调用跟踪
  • gbd: 源码级别的调试器

还有很多具体的细节，不过因为我不是专攻这个的，所以留待以后有需要时再继续研究

第五章 应用程序

性能调整离工作所执行的地方越近越好：最好在应用程序里，包括 Web 服务器、应用服务器、负载均衡器、文件服务器，等等。

设立性能目标能为你的性能分析工作指明方向，并帮助你选择要做的事情。没有清晰的目标，性能分析容易沦为随机的『钓鱼探险』。常见目标：

  • 延时
  • 吞吐量
  • 资源使用率

应用程序性能技术：选择 I/O 尺寸、缓存、缓冲区、轮训(epoll)、并发和并行、非阻塞 I/O、处理器绑定

编程语言相关：编译语言使用编译器优化、解释语言一般不是首选、虚拟机、垃圾回收

第六章 CPU - 第九章 磁盘

这部分一般来说在云时代可以暂时不用特别考虑，故略。

第十章 网络

网络通信是由一组协议栈组成的，其中的每一层实现一个特定的目标：

一些网络通信和网络性能相关概念：网络和路由、协议、封装、包长度、延时（主机名解析延时、ping 延时、连接延时、首字节延时、往返时间、连接生命周期）、缓冲、连接积压队列、接口协商、使用率、本地连接。

对于日常监测来说，最常用的还是各种工具，如：

  • netstat -s: 查找高流量的重新传输和乱序数据包
  • netstat -i: 检查接口的错误计数器
  • ifconfig: 检查『错误』『丢弃』和『超限』
  • ip(8): 检查传输和接收的字节率
  • tcpdump/snoop: 尽管需要大量的 CPU 开销，短期使用可能就足以发现谁在使用网络并且定位可以消除的不必要操作
  • dtrace/stap/perf: 用来检查包括内核状态在内的应用程序与线路间选中的数据

第十一章 云计算 - 第十二章 基准测试

这两章主要介绍相关底层概念，很多时候只是作为选择云服务提供商的依据（毕竟不能自己开发），暂略。

术语

方法

  • IOPS: 每秒发生的输入/输出操作的次数，是数据传输的一个度量方法。对于磁盘的读写，IOPS 指的是每秒读和写的次数
  • 吞吐量: 评价工作执行的速率，尤其是在数据传输方面，这个术语用于描述数据传输速度。在某些情况下（如数据库），吞吐量指的是操作的速度（每秒操作数或每秒业务数）
  • 响应事件: 一次操作完成的事件。包括用于等待和服务的事件，也包括用来返回结果的时间
  • 延时: 描述操作里用来等待服务的事件。在某些情况下，它可以指的是整个操作时间，等同于响应时间
  • 使用率: 对于服务所请求的资源，使用率描述在所给定的时间区间内资源的繁忙成都。对于存储资源来说，使用率指的就是所消耗的存储容量（例如，内存使用率）
  • 饱和度: 指的是某一资源无法满足服务的排队工作量
  • 瓶颈: 在系统性能力，瓶颈指的是限制系统性能的那个资源。分辨和移除系统瓶颈是系统性能的一项重要工作
  • 工作负载: 系统的输入或者是对系统所施加的负载叫做工作负载。对于数据库来说，工作负载就是客户端发出的数据库请求和命令
  • 缓存: 用于复制或者缓冲一定量数据的高速存储区域，目的是为了避免对较慢的存储层级的直接访问，从而提高性能。

操作系统

  • 操作系统: 这里指的是安装在系统上的软件和文件，使得系统可以启动和运行程序。操作系统包括内核、管理工具，以及系统库
  • 内核: 内核是管理系统的程序，包括设备（硬件）、内存和 CPU 调度。它运行在 CPU 的特权模式，允许直接访问硬件，称为内核态
  • 进程: 是一个操作系统的抽象概念，是用来执行程序的环境。程序通常运行在用户模式，通过系统调用或陷阱来进入内核模式
  • 线程: 可被调度的运行在 CPU 上的可执行上下文。内核有多个线程，一个进程有一个或多个线程
  • 任务: 一个 Linux 的可运行实体，可以指一个进程（含有单个线程），或一个多线程的进程里的一个线程，或者内核线程
  • 内核空间: 内核的内存地址空间
  • 用户空间: 进程的内存地址空间
  • 上下文切换: 内核程序切换 CPU 让其在不同的地址空间上做操作
  • 系统调用: 一套定义明确的协议，为用户程序请求内核执行特权操作，包括设备 I/O
  • 陷阱: 信号发送到内核，请求执行一段系统程序（特权操作）。陷阱类型包括系统调用、处理器异常以及中断
  • 中断: 由物理设备发送给内核的信号，通常是请求 I/O 服务

USE 法 Linux 检查清单



软件资源


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