影響Linux性能的因素與優(yōu)化方法

Linux操作系統(tǒng)是一個(gè)開源產(chǎn)品，也是一個(gè)開源軟件的實(shí)踐和應(yīng)用平臺，在這個(gè)平臺下有無數(shù)的開源軟件支撐，我們常見的apache、tomcat、mysql、php等等，開源軟件的最大理念是自由、開放，那么linux作為一個(gè)開源平臺，最終要實(shí)現(xiàn)的是通過這些開源軟件的支持，以最低廉的成本，達(dá)到應(yīng)用最優(yōu)的性能。因此，談到性能問題，主要實(shí)現(xiàn)的是linux操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的最佳結(jié)合。

一、性能問題綜述

系統(tǒng)的性能是指操作系統(tǒng)完成任務(wù)的有效性、穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。Linux系統(tǒng)管理員可能經(jīng)常會遇到系統(tǒng)不穩(wěn)定、響應(yīng)速度慢等問題，例如在linux上搭建了一個(gè)web服務(wù)，經(jīng)常出現(xiàn)網(wǎng)頁無法打開、打開速度慢等現(xiàn)象，而遇到這些問題，就有人會抱怨linux系統(tǒng)不好，其實(shí)這些都是表面現(xiàn)象。操作系統(tǒng)完成一個(gè)任務(wù)時(shí)，與系統(tǒng)自身設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)、路由設(shè)備、路由策略、接入設(shè)備、物理線路等多個(gè)方面都密切相關(guān)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此當(dāng)linux應(yīng)用出現(xiàn)問題時(shí)，應(yīng)當(dāng)從應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)、服務(wù)器硬件、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等方面綜合排查，定位問題出現(xiàn)在哪個(gè)部分，然后集中解決。

在應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)、服務(wù)器硬件、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等方面，影響性能最大的是應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)兩個(gè)方面，因?yàn)檫@兩個(gè)方面出現(xiàn)的問題不易察覺，隱蔽性很強(qiáng)。而硬件、網(wǎng)絡(luò)方面只要出現(xiàn)問題，一般都能馬上定位。下面主要講解操作系統(tǒng)方面的性能調(diào)優(yōu)思路，應(yīng)用程序方面需要具體問題具體對待。

以下從影響Linux性能的因素、分析性能涉及的人員、系統(tǒng)性能優(yōu)化工具、系統(tǒng)性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)四個(gè)方面介紹優(yōu)化Linux的一般思路和方法。

二、影響Linux性能的因素

2.1系統(tǒng)硬件資源

1．CPU

CPU是操作系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的根本，CPU的速度與性能在很大程度上決定了系統(tǒng)整體的性能，因此，CPU數(shù)量越多、主頻越高，服務(wù)器性能也就相對越好。但事實(shí)并非完全如此。

目前大部分CPU在同一時(shí)間內(nèi)只能運(yùn)行一個(gè)線程，超線程的處理器可以在同一時(shí)間運(yùn)行多個(gè)線程，因此，可以利用處理器的超線程特性提高系統(tǒng)性能。在Linux系統(tǒng)下，只有運(yùn)行SMP內(nèi)核才能支持超線程，但是，安裝的CPU數(shù)量越多，從超線程獲得的性能方面的提高就越少。另外，Linux內(nèi)核會把多核的處理器當(dāng)作多個(gè)單獨(dú)的CPU來識別，例如兩個(gè)4核的CPU，在Lnux系統(tǒng)下會被當(dāng)作8個(gè)單核CPU。但是從性能角度來講，兩個(gè)4核的CPU和8個(gè)單核的CPU并不完全等價(jià)，根據(jù)權(quán)威部門得出的測試結(jié)論，前者的整體性能要比后者低25％~30％。

可能出現(xiàn)CPU瓶頸的應(yīng)用有db服務(wù)器、動態(tài)Web服務(wù)器等，對于這類應(yīng)用，要把CPU的配置和性能放在主要位置。

2．內(nèi)存

內(nèi)存的大小也是影響Linux性能的一個(gè)重要的因素，內(nèi)存太小，系統(tǒng)進(jìn)程將被阻塞，應(yīng)用也將變得緩慢，甚至失去響應(yīng)；內(nèi)存太大，導(dǎo)致資源浪費(fèi)。Linux系統(tǒng)采用了物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存兩種方式，虛擬內(nèi)存雖然可以緩解物理內(nèi)存的不足，但是占用過多的虛擬內(nèi)存，應(yīng)用程序的性能將明顯下降，要保證應(yīng)用程序的高性能運(yùn)行，物理內(nèi)存一定要足夠大；但是過大的物理內(nèi)存，會造成內(nèi)存資源浪費(fèi)，例如，在一個(gè)32位處理器的Linux操作系統(tǒng)上，超過8GB的物理內(nèi)存都將被浪費(fèi)。因此，要使用更大的內(nèi)存，建議安裝64位的操作系統(tǒng)，同時(shí)開啟Linux的大內(nèi)存內(nèi)核支持。

由于處理器尋址范圍的限制，在32位Linux操作系統(tǒng)上，應(yīng)用程序單個(gè)進(jìn)程最大只能使用4GB的內(nèi)存，這樣以來，即使系統(tǒng)有更大的內(nèi)存，應(yīng)用程序也無法“享”用，解決的辦法就是使用64位處理器，安裝64位操作系統(tǒng)。在64位操作系統(tǒng)下，可以滿足所有應(yīng)用程序?qū)?nèi)存的使用需求 ，幾乎沒有限制。

可能出現(xiàn)內(nèi)存性能瓶頸的應(yīng)用有NOSQL服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、緩存服務(wù)器等，對于這類應(yīng)用要把內(nèi)存大小放在主要位置。

3．磁盤I/O性能

磁盤的I/O性能直接影響應(yīng)用程序的性能，在一個(gè)有頻繁讀寫的應(yīng)用中，如果磁盤I/O性能得不到滿足，就會導(dǎo)致應(yīng)用停滯。好在現(xiàn)今的磁盤都采用了很多方法來提高I/O性能，比如常見的磁盤RAID技術(shù)。 通過RAID技術(shù)組成的磁盤組，就相當(dāng)于一個(gè)大硬盤，用戶可以對它進(jìn)行分區(qū)格式化、建立文件系統(tǒng)等操作，跟單個(gè)物理硬盤一模一樣，唯一不同的是RAID磁盤組的I/O性能比單個(gè)硬盤要高很多，同時(shí)在數(shù)據(jù)的安全性也有很大提升。

根據(jù)磁盤組合方式的不同，RAID可以分為RAID0，RAID1、RAID2、RAID3、RAID4、RAID5、RAID6、RAID7、RAID0+1、RAID10等級別，常用的RAID級別有RAID0、RAID1、RAID5、RAID0+1，這里進(jìn)行簡單介紹。

RAID 0：通過把多塊硬盤粘合成一個(gè)容量更大的硬盤組，提高了磁盤的性能和吞吐量。這種方式成本低，要求至少兩個(gè)磁盤，但是沒有容錯(cuò)和數(shù)據(jù)修復(fù)功能，因而只能用在對數(shù)據(jù)安全性要求不高的環(huán)境中。 RAID 1：也就是磁盤鏡像，通過把一個(gè)磁盤的數(shù)據(jù)鏡像到另一個(gè)磁盤上，最大限度地保證磁盤數(shù)據(jù)的可靠性和可修復(fù)性，具有很高的數(shù)據(jù)冗余能力，但磁盤利用率只有50%，因而，成本最高，多用在保存重要數(shù)據(jù)的場合。 RAID5：采用了磁盤分段加奇偶校驗(yàn)技術(shù)，從而提高了系統(tǒng)可靠性，RAID5讀出效率很高，寫入效率一般，至少需要3塊盤。允許一塊磁盤故障，而不影響數(shù)據(jù)的可用性。 RAID0+1：把RAID0和RAID1技術(shù)結(jié)合起來就成了RAID0+1，至少需要4個(gè)硬盤。此種方式的數(shù)據(jù)除分布在多個(gè)盤上外，每個(gè)盤都有其鏡像盤，提供全冗余能力，同時(shí)允許一個(gè)磁盤故障，而不影響數(shù)據(jù)可用性，并具有快速讀/寫能力。

通過了解各個(gè)RAID級別的性能，可以根據(jù)應(yīng)用的不同特性，選擇適合自身的RAID級別，從而保證應(yīng)用程序在磁盤方面達(dá)到最優(yōu)性能。

4．網(wǎng)絡(luò)寬帶

Linux下的各種應(yīng)用，一般都是基于網(wǎng)絡(luò)的，因此網(wǎng)絡(luò)帶寬也是影響性能的一個(gè)重要因素，低速的、不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的訪問阻塞，而穩(wěn)定、高速的網(wǎng)絡(luò)帶寬，可以保證應(yīng)用程序在網(wǎng)絡(luò)上暢通無阻地運(yùn)行。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)一般都是千兆帶寬或光纖網(wǎng)絡(luò)，帶寬問題對應(yīng)用程序性能造成的影響也在逐步降低。

2.2 操作系統(tǒng)相關(guān)資源

基于操作系統(tǒng)的性能優(yōu)化也是多方面的，可以從系統(tǒng)安裝、系統(tǒng)內(nèi)核參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、文件系統(tǒng)等幾個(gè)方面進(jìn)行衡量，下面依次進(jìn)行簡單介紹。

1．系統(tǒng)安裝優(yōu)化

系統(tǒng)優(yōu)化可以從安裝操作系統(tǒng)開始，當(dāng)安裝Linux系統(tǒng)時(shí)，磁盤的劃分，SWAP內(nèi)存的分配都直接影響以后系統(tǒng)的運(yùn)行性能。例如，磁盤分配可以遵循應(yīng)用的需求：

對于對寫操作頻繁而對數(shù)據(jù)安全性要求不高的應(yīng)用，可以把磁盤做成RAID 0；

而對于對數(shù)據(jù)安全性較高，對讀寫沒有特別要求的應(yīng)用，可以把磁盤做成RAID 1；

對于對讀操作要求較高，而對寫操作無特殊要求，并要保證數(shù)據(jù)安全性的應(yīng)用，可以選擇RAID 5；

對于對讀寫要求都很高，并且對數(shù)據(jù)安全性要求也很高的應(yīng)用，可以選擇RAID10/01。

這樣通過不同的應(yīng)用需求設(shè)置不同的RAID級別，在磁盤底層對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化操作。

隨著內(nèi)存價(jià)格的降低和內(nèi)存容量的日益增大，對虛擬內(nèi)存SWAP的設(shè)定，現(xiàn)在已經(jīng)沒有了所謂虛擬內(nèi)存是物理內(nèi)存兩倍的要求，但是SWAP的設(shè)定還是不能忽略，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)：

如果內(nèi)存較?。ㄎ锢韮?nèi)存小于4GB），一般設(shè)置SWAP交換分區(qū)大小為內(nèi)存的2倍；

如果物理內(nèi)存大于8GB小于16GB，可以設(shè)置SWAP大小等于或略小于物理內(nèi)存即可；

如果內(nèi)存大小在16GB以上，原則上可以設(shè)置SWAP為0，但并不建議這么做，因?yàn)樵O(shè)置一定大小的SWAP還是有一定作用的。

2．內(nèi)核參數(shù)優(yōu)化

系統(tǒng)安裝完成后，優(yōu)化工作并沒有結(jié)束，接下來還可以對系統(tǒng)內(nèi)核參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，不過內(nèi)核參數(shù)的優(yōu)化要和系統(tǒng)中部署的應(yīng)用結(jié)合起來整體考慮。

例如，如果系統(tǒng)部署的是Oracle數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，那么就需要對系統(tǒng)共享內(nèi)存段（kernel.shmmax、kernel.shmmni、kernel.shmall）、系統(tǒng)信號量（kernel.sem）、文件句柄（fs.file-max）等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置；如果部署的是Web應(yīng)用，那么就需要根據(jù)Web應(yīng)用特性進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的優(yōu)化，例如修改net.ipv4.ip_local_port_range、net.ipv4.tcp_tw_reuse、net.core.somaxconn等網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核參數(shù)。

3．文件系統(tǒng)優(yōu)化

文件系統(tǒng)的優(yōu)化也是系統(tǒng)資源優(yōu)化的一個(gè)重點(diǎn)，在Linux下可選的文件系統(tǒng)有ext2、ext3、ReiserFS、ext4、xfs，根據(jù)不同的應(yīng)用，選擇不同的文件系統(tǒng)。

Linux標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)是從VFS開始的，然后是ext，接著就是ext2，應(yīng)該說，ext2是Linux上標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)，ext3是在ext2基礎(chǔ)上增加日志形成的，從VFS到ext4，其設(shè)計(jì)思想沒有太大變化，都是早期UNIX家族基于超級塊和inode的設(shè)計(jì)理念。

XFS文件系統(tǒng)是一個(gè)高級日志文件系統(tǒng)，XFS通過分布處理磁盤請求、定位數(shù)據(jù)、保持Cache 的一致性來提供對文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的低延遲、高帶寬的訪問，因此，XFS極具伸縮性，非常健壯，具有優(yōu)秀的日志記錄功能、可擴(kuò)展性強(qiáng)、快速寫入性能等優(yōu)點(diǎn)。

目前服務(wù)器端ext4和xfs是主流文件系統(tǒng)，如何選擇合適的文件系統(tǒng)，需要根據(jù)文件系統(tǒng)的特點(diǎn)加上業(yè)務(wù)的需求綜合來定。

2.3 、應(yīng)用程序軟件資源

應(yīng)用程序的優(yōu)化其實(shí)是整個(gè)優(yōu)化工程的核心，如果一個(gè)應(yīng)用程序存在BUG，那么即使所有其他方面都達(dá)到了最優(yōu)狀態(tài)，整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)還是性能低下，所以，對應(yīng)用程序的優(yōu)化是性能優(yōu)化過程的重中之重，這就對程序架構(gòu)設(shè)計(jì)人員和程序開發(fā)人員提出了更高的要求。

三、 分析系統(tǒng)性能涉及的人員

3.1、Linux運(yùn)維人員

在做性能優(yōu)化過程中，Linux運(yùn)維人員承擔(dān)著很重要的任務(wù)。

首先，Linux運(yùn)維人員要了解和掌握操作系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，例如系統(tǒng)負(fù)載、內(nèi)存狀態(tài)、進(jìn)程狀態(tài)、CPU負(fù)荷等信息，這些信息是檢測和判斷系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)和依據(jù)；

其次，Linux運(yùn)維人員還有掌握系統(tǒng)的硬件信息，例如磁盤I/O、CPU型號、內(nèi)存大小、網(wǎng)卡帶寬等參數(shù)信息，然后根據(jù)這些信息綜合評估系統(tǒng)資源的使用情況；

第三，作為一名Linux運(yùn)維人員，還要掌握應(yīng)用程序?qū)ο到y(tǒng)資源的使用情況，更深入的一點(diǎn)就是要了解應(yīng)用程序的運(yùn)行效率，例如是否有程序BUG、內(nèi)存溢出等問題，通過對系統(tǒng)資源的監(jiān)控，就能發(fā)現(xiàn)應(yīng)用程序是否存在異常，如果確實(shí)是應(yīng)用程序存在問題，需要把問題立刻反映給程序開發(fā)人員，進(jìn)而改進(jìn)或升級程序。

性能優(yōu)化本身就是一個(gè)復(fù)雜和繁瑣的過程，Linux運(yùn)維人員只有了解了系統(tǒng)硬件信息、網(wǎng)絡(luò)信息、操作系統(tǒng)配置信息和應(yīng)用程序信息才能有針對性地的展開對服務(wù)器性能優(yōu)化，這就要求Linux運(yùn)維人員有充足的理論知識、豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)以及縝密分析問題的頭腦。

3.2、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)人員

系統(tǒng)性能優(yōu)化涉及的第二類人員就是應(yīng)用程序的架構(gòu)設(shè)計(jì)人員。如果Linux運(yùn)維人員在經(jīng)過綜合判斷后，發(fā)現(xiàn)影響性能的是應(yīng)用程序的執(zhí)行效率，那么程序架構(gòu)設(shè)計(jì)人員就要及時(shí)介入，深入了解程序運(yùn)行狀態(tài)。

首先，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)人員要跟蹤了解程序的執(zhí)行效率，如果執(zhí)行效率存在問題，要找出哪里出現(xiàn)了問題；

其次，如果真的是架構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)了問題，那么就要馬上優(yōu)化或改進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)更好的應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)。

3.3、軟件開發(fā)人員

系統(tǒng)性能優(yōu)化最后一個(gè)環(huán)節(jié)涉及的是程序開發(fā)人員，在Linux運(yùn)維人員或架構(gòu)設(shè)計(jì)人員找到程序或結(jié)構(gòu)瓶頸后，程序開發(fā)人員要馬上介入進(jìn)行相應(yīng)的程序修改。修改程序要以程序的執(zhí)行效率為基準(zhǔn)，改進(jìn)程序的邏輯，有針對性地進(jìn)行代碼優(yōu)化。例如，Linux運(yùn)維人員在系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)有條SQL語句耗費(fèi)大量的系統(tǒng)資源，抓取這條執(zhí)行的SQL語句，發(fā)現(xiàn)此SQL語句的執(zhí)行效率太差，是開發(fā)人員編寫的代碼執(zhí)行效率低造成的，這就需要把這個(gè)信息反饋給開發(fā)人員，開發(fā)人員在收到這個(gè)問題后，可以有針對性的進(jìn)行SQL優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)程序代碼的優(yōu)化。

從上面這個(gè)過程可以看出，系統(tǒng)性能優(yōu)化一般遵循的流程是：

首先Linux運(yùn)維人員查看系統(tǒng)的整體狀況，主要從系統(tǒng)硬件、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、操作系統(tǒng)配置、應(yīng)用程序架構(gòu)和程序代碼五個(gè)方面進(jìn)行綜合判斷，如果發(fā)現(xiàn)是系統(tǒng)硬件、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或者操作系統(tǒng)配置問題，Linux運(yùn)維人員可以根據(jù)情況自主解決；

如果發(fā)現(xiàn)是程序結(jié)構(gòu)問題，就需要提交給程序架構(gòu)設(shè)計(jì)人員；

如果發(fā)現(xiàn)是程序代碼執(zhí)行問題，就交給開發(fā)人員進(jìn)行代碼優(yōu)化。

這樣就完成了一個(gè)系統(tǒng)性能優(yōu)化的過程。

四、調(diào)優(yōu)總結(jié)

系統(tǒng)性能優(yōu)化是個(gè)涉及面廣、繁瑣、長久的工作，尋找出現(xiàn)性能問題的根源往往是最難的部分，一旦找到出現(xiàn)問題的原因，性能問題也就迎刃而解。因此，解決問題的思路變得非常重要。

例如，linux系統(tǒng)下的一個(gè)網(wǎng)站系統(tǒng)，用戶反映，網(wǎng)站訪問速度很慢，有時(shí)無法訪問。

針對這個(gè)問題:

第一步要做的是檢測網(wǎng)絡(luò)，可以通過ping命令檢查網(wǎng)站的域名解析是否正常，同時(shí)，ping服務(wù)器地址的延時(shí)是否過大等等，通過這種方式，首先排除網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)的問題；如果網(wǎng)絡(luò)沒有問題

接著進(jìn)入第二步，對linux系統(tǒng)的內(nèi)存使用狀況進(jìn)行檢查，因?yàn)榫W(wǎng)站響應(yīng)速度慢，一般跟內(nèi)存關(guān)聯(lián)比較大，通過free、vmstat等命令判斷內(nèi)存資源是否緊缺，如果內(nèi)存資源不存在問題

進(jìn)入第三步，檢查系統(tǒng)CPU的負(fù)載狀況，可以通過sar、vmstat、top等命令的輸出綜合判斷CPU是否存在過載問題，如果CPU沒有問題

繼續(xù)進(jìn)入第四步，檢查系統(tǒng)的磁盤I/O是否存在瓶頸，可以通過iostat、vmstat等命令檢查磁盤的讀寫性能，如果磁盤讀寫也沒有問題，linux系統(tǒng)自身的性能問題基本排除，最后要做的是檢查程序本身是否存在問題。通過這樣的思路，層層檢測，步步排查，性能問題就“無處藏身”，查找出現(xiàn)性能問題的環(huán)節(jié)也就變得非常簡單。

審核編輯：湯梓紅