Linux性能測試之性能測試指標詳解

性能測試指標是衡量系統(tǒng)性能的評價標準，常用的系統(tǒng)性能測試指標包括：響應(yīng)時間、并發(fā)用戶/并發(fā)、點擊率、吞吐量、TPS/QPS、PV/UV；Linux服務(wù)器常用的性能指標包括：CPU使用率、內(nèi)存占用率、磁盤IO、系統(tǒng)平均負載等。

一 系統(tǒng)性能測試指標

1.1 響應(yīng)時間

響應(yīng)時間是指某個請求或操作從發(fā)出到接收到反饋所消耗的時間，包括應(yīng)用服務(wù)器（客戶端）處理時間、網(wǎng)絡(luò)傳輸時間以及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器處理時間。比如一個頁面從點擊/輸入到完全加載的時間；完成一次增加、刪除、修改或者查詢動作的事務(wù)響應(yīng)時間等。

一個請求在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸往往要經(jīng)歷多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點才能到達目標服務(wù)器，我們假設(shè)請求經(jīng)歷了三個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的傳輸時間B1、B2、B3，客戶端的處理時間為A，服務(wù)器的響應(yīng)時間為C。則一次請求的完整路徑可以描述為下圖：

客戶端從發(fā)出請求到接收到服務(wù)器反饋的完整鏈路時間為A—>B1—>B2—>B3—>C（節(jié)點處理時間都包括接收和發(fā)送兩個過程）。則請求的響應(yīng)時間為：

響應(yīng)時間=A+B1+B2+B3+C

1.2 并發(fā)

并發(fā)是指多個用戶在同一時期內(nèi)進行相同的事務(wù)處理或操作。由于用戶在進行一系列操作流程時有一定的時間間隔（即用戶思考時間）或者服務(wù)器處理請求有先后順序，于是，就產(chǎn)生了絕對并發(fā)和相對并發(fā)概念的區(qū)分。

絕對并發(fā)是指同一時刻（即同一時間點）并發(fā)用戶對服務(wù)器同時發(fā)送請求。

相對并發(fā)是指一段時間內(nèi)（即同一時間區(qū)間）并發(fā)用戶對服務(wù)器發(fā)送請求。

舉個例子，一個并發(fā)量為10000人（可同時容納10000人）的動物園，這里的并發(fā)量是指絕對并發(fā)還是相對并發(fā)呢？我們很容易理解，這個并發(fā)指的是相對并發(fā)，因為整個動物園是一個交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，出入口、老虎、獅子、大象等各個動物站點都有分流的作用，基本不可能出現(xiàn)出入口或者站點能夠同時承載10000人的情況，出入口的并發(fā)可能只有200人。

因此這個動物園的例子里，并發(fā)量10000是指各個節(jié)點的總和，參觀者參觀動物園有路徑的先后順序，是相對并發(fā)的概念。而出入口的并發(fā)量是200人，則是指同一時間在出入口能夠同時容納200人，這就是絕對并發(fā)的概念。

一般來說，在系統(tǒng)的性能測試中，系統(tǒng)或者模塊的并發(fā)更多是指相對并發(fā)，而接口的并發(fā)更傾向于絕對并發(fā)。并發(fā)性能的概念是指系統(tǒng)、模塊或接口穩(wěn)定運行，不拋出異常情況下所能夠承載的并發(fā)量。

在并發(fā)性能測試中常用到并發(fā)用戶數(shù)和并發(fā)請求數(shù)兩個指標。顧名思義，并發(fā)用戶數(shù)是指同一時間（點或區(qū)間），系統(tǒng)、模塊或接口能夠承載的用戶數(shù)量；并發(fā)請求數(shù)是指同一時間（點或區(qū)間），系統(tǒng)、模塊或接口能夠承載的請求數(shù)量。

1.3 點擊量/點擊率

點擊量是衡量網(wǎng)站流量的一個指標，也就是點擊數(shù)clicks，是對網(wǎng)站點擊數(shù)據(jù)的統(tǒng)計。

點擊率（Clicks Ratio）也可以叫做點進率（“Click-through Rate），它是網(wǎng)站上某一內(nèi)容被點擊的次數(shù)與整個網(wǎng)站內(nèi)容被顯示次數(shù)之比，即clicks/views。反應(yīng)了網(wǎng)站上某一頁面或內(nèi)容的受關(guān)注程度，經(jīng)常用來衡量廣告的吸引程度。比如公眾號的一篇文章被瀏覽了10w次，文章中的廣告鏈接被點擊了2000次，那么這條廣告的點擊率是2%（2000/100000*100%）。

在性能測試領(lǐng)域，點擊率（hit rate）常指單位時間內(nèi)（每秒鐘）頁面的點擊數(shù)，即每秒鐘發(fā)送的http請求數(shù)量，點擊率越大對服務(wù)器造成的壓力也越大，對服務(wù)器的性能要求也越高。

有些人容易混淆點擊率和點擊量的概念，比如我們經(jīng)常會聽到有人說某網(wǎng)站的點擊率是多多萬，實際上這里的點擊率指的是點擊量，曝光率或者說頁面瀏覽量。

1.4 吞吐量/吞吐率

吞吐量是指系統(tǒng)處理客戶請求數(shù)量的總和，可以指網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)包的總和，也可以指業(yè)務(wù)中客戶端與服務(wù)器交互數(shù)據(jù)量的總和。

吞吐率是指單位時間內(nèi)系統(tǒng)處理客戶請求的數(shù)量，也就是單位時間內(nèi)的吞吐量?？梢詮亩鄠€維度衡量吞吐率：

業(yè)務(wù)角度：單位時間（每秒）的請求數(shù)或頁面數(shù)，即請求數(shù)/秒或頁面數(shù)/秒；

網(wǎng)絡(luò)角度：單位時間（每秒）網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小，即字節(jié)數(shù)/秒等；

系統(tǒng)角度，單位時間內(nèi)服務(wù)器所承受的壓力，即系統(tǒng)的負載能力。

吞吐率（或吞吐量）是一種多維度量的性能指標，它與請求處理所消耗的CPU、內(nèi)存、IO和網(wǎng)絡(luò)帶寬都強相關(guān)。

1.5 TPS/QPS

TPS（Transaction Per Second）是指單位時間（每秒）系統(tǒng)處理的事務(wù)量。事務(wù)可以是用戶自定義的一系列操作或者動作的集合，比如“用戶注冊“事務(wù)是點擊注冊按鈕，填寫用戶注冊信息，點擊提交按鈕，以及加載注冊成功頁面的動作集合。

QPS（Query Per Second）是指單位時間內(nèi)查詢或訪問服務(wù)器的次數(shù)。

TPS和QPS的區(qū)別在于一個事務(wù)可以包含多次查詢或訪問服務(wù)器，也可以只查詢或訪問一次服務(wù)器。當多次查詢或訪問時，一個TPS相當于多個QPS；當只查詢或訪問一次時，一個TPS則等價于一個QPS。

1.6 PV/UV

PV和UV是衡量web網(wǎng)站性能容量的兩個重要度量指標，經(jīng)常用在電子商務(wù)網(wǎng)站領(lǐng)域中用來衡量網(wǎng)站的活躍度。

PV（Page View）是頁面的瀏覽量或點擊量，用戶對系統(tǒng)或者網(wǎng)站任何頁面的每一次點擊或者訪問都會被記錄一次瀏覽量或點擊量，對相同頁面進行多次訪問瀏覽量或點擊量也會進行累計。

UV（Unique Vistor）是系統(tǒng)或者網(wǎng)站的獨立訪客，一段時間內(nèi)相同客戶端（或PC）訪問系統(tǒng)或者網(wǎng)站只會被記錄一次，連續(xù)重復訪問或者瀏覽多個系統(tǒng)頁面次數(shù)不會進行累計。

PV和UV按照統(tǒng)計周期劃分，可以劃分為全天PV、每小時PV、全天UV和每小時UV等。在一些數(shù)據(jù)或交易量非常龐大的場景中，比如雙11或618等全民購物活動時，常常還會統(tǒng)計峰值PV和峰值UV。

二 Linux服務(wù)器性能指標

2.1 CPU使用率

CPU使用率是單位時間內(nèi)服務(wù)器CPU的使用統(tǒng)計，可以用除CPU空閑時間外其他時間占總CPU時間的百分比來表示，即：CPU使用率=1-CPU空閑時間/總CPU時間

命令：#top //top工具間隔3s會動態(tài)滾動更新一次數(shù)據(jù)

字段說明：

us (user)：用戶態(tài)的CPU使用時間比例，是用戶運行程序的真正時間，它不包括后面的ni時間；

sy (system): 內(nèi)核態(tài)的CPU使用時間比例，是操作系統(tǒng)的運行時間，操作系統(tǒng)運行時，用戶運行程序往往處于等待狀態(tài)；

ni (nice): 表示低優(yōu)先級用戶態(tài)的CPU時間比例，取值范圍為[-20,19]，數(shù)值越大，則優(yōu)先級越低；

id (idle): 表示空閑的CPU時間比例，值越大，CPU空閑時間比例越高，利用率越低；

wa (iowait): 表示處于IO等待狀態(tài)的CPU時間比例；

hi (hard interrupt): 表示處理硬中斷的CPU時間比例；

si (soft interrupt): 與hi相反，表示處理軟中斷的CPU時間比例；

st (steal): 表示當前系統(tǒng)運行在虛擬機中被其他虛擬機占用的CPU時間比例。

在性能測試中，系統(tǒng)整體的CPU使用率可以用（1-id）來計算。當us很高時，說明CPU時間主要消耗在用戶代碼上，可以從用戶代碼角度考慮優(yōu)化性能；當sy很高時，說明CPU時間主要消耗在內(nèi)核上，可以從是否系統(tǒng)調(diào)用頻繁、CPU進程或線程切換頻繁角度考慮性能的優(yōu)化；當wa很高時，說明有進程在進行頻繁的IO操作，可能是磁盤IO或者網(wǎng)絡(luò)IO。

一般情況下，如果%us+%sy<=70%，我們可以認為系統(tǒng)的運行狀態(tài)良好。

2.2 內(nèi)存占用率

Linux的系統(tǒng)內(nèi)存管理機制遵循內(nèi)存利用率最大化的原則。內(nèi)核會將空余的內(nèi)存劃分為cached（不屬于free），對于有頻繁讀取操作的文件或數(shù)據(jù)會被保存在cached中。因此，對于linux系統(tǒng)來說，可用于分配的內(nèi)存不止free的內(nèi)存，同時還包括cached的內(nèi)存（其實還包括buffers的內(nèi)存）。

cached和buffers都屬于緩存，它們的區(qū)別主要在于cached主要用來緩沖頻繁讀取的文件，它可以直接記憶我們打開的文件內(nèi)容；而buffers主要用來給塊設(shè)備做的緩沖大小，只記錄文件系統(tǒng)的metadata以及tracking in-flight pages信息，比如存儲目錄里面的內(nèi)容，權(quán)限等。

top工具既可以查看系統(tǒng)CPU使用情況，也可以查看系統(tǒng)內(nèi)存使用信息。

命令：#top

在性能測試中，經(jīng)常會用到系統(tǒng)已用內(nèi)存、物理已用內(nèi)存、系統(tǒng)內(nèi)存占用率以及物理內(nèi)存占用率這幾個指標，它們的計算公式如下：

系統(tǒng)已用內(nèi)存MemUsed=MemTotal-MemFree //包含buffers和cached

物理已用內(nèi)存-/+Used= MemTotal-MemFree-MemBuffers-MemCached

系統(tǒng)內(nèi)存占用率MemUsed%=（MemUsed/ MemTotal）*100%

物理內(nèi)存占用率-/+Used%=(-/+Used/ MemTotal）*100%

一般情況下，系統(tǒng)內(nèi)存占用率<=70%，我們可以認為系統(tǒng)的內(nèi)存使用情況良好，如果超出則說明系統(tǒng)內(nèi)存資源緊張。

2.3 系統(tǒng)平均負載

當發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)卡斷或者運行不順暢時，我們可以通過uptime，top或者w命令來查看系統(tǒng)的負載情況。

命令1：#uptime

命令2：#top

命令3：#w

Linux的load average表示系統(tǒng)負載的平均值，顯示的三個數(shù)值分別表示1分鐘、5分鐘和15分鐘內(nèi)的平均負載情況。這里的平均負載是指單位時間內(nèi)，系統(tǒng)處于可運行狀態(tài)和不可中斷狀態(tài)的平均進程數(shù)，可以簡單的理解為平均負載就是系統(tǒng)平均活躍進程數(shù)。

其中可運行狀態(tài)是指正在使用CPU或者正在等待CPU的進程（處于R狀態(tài)：Running或者Runnable的進程）；不可中斷狀態(tài)的進程指的是正處于內(nèi)核態(tài)關(guān)鍵流程中的進程，處于這個流程的進程是不可打斷的，比如等待硬件設(shè)備的I/O響應(yīng)。

舉個例子，當平均負載的值為4：

對于只有1個CPU的系統(tǒng)，意味著平均有3個進程競爭不到CPU；

對于擁有4個CPU的系統(tǒng)，意味著CPU利用率為100%；

對于擁有8個CPU的系統(tǒng)，意味著CPU利用率為50%，有一半空閑。

可以看出，當系統(tǒng)平均負載的值如果超過系統(tǒng)CPU的數(shù)量時，那么系統(tǒng)有可能會遇到性能瓶頸，要視具體情況而定。

在性能測試中，我們也經(jīng)常會通過比較1min、5min或者15min的值，來判斷系統(tǒng)平均負載的變化情況：

如果1min的值大于5min或者15min的值，說明負載在增加；

如果1min的值小于5min或者15min的值，說明負載在減??；

2.4 磁盤IO

Linux服務(wù)器性能除了CPU和內(nèi)存外，還有磁盤IO也是一種常用的性能指標。

命令：#iostat –x –k 2 3 //每隔2S輸出磁盤IO的使用情況，共采樣3次

通過ll /dev/mapper命令可以查看dm-x與磁盤邏輯卷的映射關(guān)系;

字段說明：

rrqm/s: 每秒對該設(shè)備的讀請求被合并次數(shù)，文件系統(tǒng)會對讀取同塊(block)的請求進行合并；

wrqm/s: 每秒對該設(shè)備的寫請求被合并次數(shù)；

r/s: 每秒完成的讀次數(shù)；

w/s: 每秒完成的寫次數(shù)；

rkB/s: 每秒讀數(shù)據(jù)量(kB為單位)；

wkB/s: 每秒寫數(shù)據(jù)量(kB為單位)；

avgrq-sz:平均每次IO操作的數(shù)據(jù)量(扇區(qū)數(shù)為單位)；

avgqu-sz: 平均等待處理的IO請求隊列長度；

await: 平均每次IO請求等待時間(包括等待時間和處理時間，毫秒為單位)；

svctm: 平均每次IO請求的處理時間(毫秒為單位)；

%util: 采用周期內(nèi)用于IO操作的時間比率，即IO隊列非空的時間比率；

在性能測試中，我們可以重點關(guān)注iowait%和%util參數(shù)。其中iowait% 表示CPU等待IO時間占整個CPU周期的百分比，如果iowait值超過50%，或者明顯大于%system、%user以及%idle，表示IO可能存在問題了；%util表示磁盤忙碌的情況，一般%util<=70%表示該磁盤IO使用狀態(tài)良好。

審核編輯：湯梓紅