Linux性能調優的優化思路

Linux操做系統是一個開源產品，也是一個開源軟件的實踐和應用平臺，在這個平臺下有無數的開源軟件支撐，咱們常見的有apache、tomcat、nginx、mysql、php等等，開源軟件的最大理念就是自由、開放，那麼Linux做爲一個開源平臺，最終要實現的是經過這些開源軟件的支持，以低廉的成本，達到應用最有的性能。所以，談到性能問題，主要實現的是Linux系統和應用程序的最佳結合。

博文大綱：
1、性能問題綜述
2、影響Linux性能的因素
3、分析系統性能設計的人員
4、調優總結

1、性能問題綜述

系統的性能是指操做系統完成任務的有效性、穩定性和響應速度。Linux系統管理員會常常遇到系統不穩定、響應速度慢等問題，例如在Linux上搭建了一個web服務，常常會出現網頁打不開、打開速度慢等現象，而遇到這些問題，就會有人抱怨Linux系統很差，其實這些都是表面現象。操做系統完成一個任務時，與系統自身設置、網絡拓補結構、路由設備、路由策略、接入設備、物理線路等多個方面都緊密相關，任何一個環節出現問題，都會影響整個系統的性能。所以當Linux應用出現問題是，應當從應用程序、操做系統、服務器硬件、網絡環境等方面綜合排查，定位問題出如今那個部分，而後集中解決。

在應用程序、操做系統、服務器硬件、網絡環境等方面。影響性能最大的是應用程序和操做系統兩個方面，由於這兩個方面出現的問題不易察覺，隱蔽性很強。而硬件、網絡方面只要出現問題，通常都能立刻定位。本次博文主要介紹操做系統方面的性能調優思路，應用程序方面須要具體問題具體對待。

如下從影響Linux性能的因素、分析性能設計的人員、系統性能優化工具、系統性能評價標準四個方面介紹優化Linux的通常思路和方法。

2、影響Linux性能的因素

1）系統硬件資源

1）CPU

CPU是操做系統穩定運行的根本，CPU的速度與性能在很大程度上決定了系統總體的性能。所以，CPU數量越多、主頻越高，服務器性能也就相對較好。但試試並不是徹底如此。

目前在大部分CPU在同一時間內只能運行一個線程，超線程的處理器能夠在同一時間運行多個線程。所以，能夠利用處理器的超線程特性來提升系統性能。在Linux系統下，只有運行SMP內核才能支持超線程，可是，安裝的CPU數量越多，從超線程得到的性能方面的提升就越少。另外，Linux內核會把多核的處理器看成多個單獨的CPU來識別，例如：兩個4核的CPU，在Linux系統下會被當作8個單核的CPU。但從性能角度來說，兩個4核的CPU和8個單核的CPU並不徹底等價，根據權威部門得出的測試結論，前者的總體性能要比後者低25%~30%。

可能出現CPU瓶頸的應用有db服務器、動態Web服務器等，對於這類應用，要把CPU的配置和性能放在主要位置。

2）內存

內存的大小也是影響Linux性能的一個重要的因素，內存過小，系統進程將被阻塞，應用也將變得緩慢，甚至失去響應；內存太大，致使資源浪費。Linux系統採用了物理內存和虛擬內存兩種方式，虛擬內存雖然能夠緩解物理內存的不足，可是佔用過多的虛擬內存，應用程序的性能將明顯降低，要保證應用程序的高性能運行，物理內存必定要足夠大；可是過大的物理內存，會形成內存資源浪費，例如，在一個32位處理器的Linux操做系統上，超過8GB的物理內存都將被浪費。所以，要使用更大的內存，建議安裝64位的操做系統，同時開啓Linux的大內存內核支持。

因爲處理器尋址範圍的限制，在32位Linux操做系統上，應用程序單個進程最大隻能使用4GB的內存，這樣以來，即便系統有更大的內存，應用程序也沒法「享」用，解決的辦法就是使用64位處理器，安裝64位操做系統。在64位操做系統下，能夠知足全部應用程序對內存的使用需求 ，幾乎沒有限制。

可能出現內存性能瓶頸的應用有NOSQL服務器、數據庫服務器、緩存服務器等，對於這類應用要把內存大小放在主要位置。

3）磁盤I/O性能

磁盤的I/O性能直接影響應用程序的性能，在一個有頻繁讀寫的應用中，若是磁盤I/O性能得不到知足，就會致使應用停滯。好在現今的磁盤都採用了不少方法來提升I/O性能，好比常見的磁盤RAID技術。

經過RAID技術組成的磁盤組，就至關於一個大硬盤，用戶能夠對它進行分區格式化、創建文件系統等操做，跟單個物理硬盤如出一轍，惟一不一樣的是RAID磁盤組的I/O性能比單個硬盤要高不少，同時在數據的安全性也有很大提高。

根據磁盤組合方式的不一樣，RAID能夠分爲RAID0，RAID一、RAID二、RAID三、RAID四、RAID五、RAID六、RAID七、RAID0+一、RAID10等級別，經常使用的RAID級別有RAID0、RAID一、RAID五、RAID0+1，這裏進行簡單介紹。

RAID 0：也就是帶區卷，經過把多塊硬盤粘合成一個容量更大的硬盤組，提升了磁盤的性能和吞吐量。這種方式成本低，要求至少兩個磁盤，可是沒有容錯和數據修復功能，於是只能用在對數據安全性要求不高的環境中。
RAID 1：也就是鏡像卷，經過把一個磁盤的數據鏡像到另外一個磁盤上，最大限度地保證磁盤數據的可靠性和可修復性，具備很高的數據冗餘能力，但磁盤利用率只有50%，於是，成本最高，多用在保存重要數據的場合。
RAID5：採用了磁盤分段加奇偶校驗技術，從而提升了系統可靠性，RAID5讀出效率很高，寫入效率通常，至少須要3塊盤。容許一塊磁盤故障，而不影響數據的可用性。
RAID0+1：把RAID0和RAID1技術結合起來就成了RAID0+1，至少須要4個硬盤。此種方式的數據除分佈在多個盤上外，每一個盤都有其鏡像盤，提供全冗餘能力，同時容許一個磁盤故障，而不影響數據可用性，並具備快速讀/寫能力。

經過了解各個RAID級別的性能，能夠根據應用的不一樣特性，選擇適合自身的RAID級別，從而保證應用程序在磁盤方面達到最優性能。

4）網絡帶寬

Linux下的各類應用，通常都是基於網絡的，所以網絡帶寬也是影響性能的一個重要因素，低速的、不穩定的網絡將致使網絡應用程序的訪問阻塞，而穩定、高速的網絡帶寬，能夠保證應用程序在網絡上暢通無阻地運行。幸運的是，如今的網絡通常都是千兆帶寬或光纖網絡，帶寬問題對應用程序性能形成的影響也在逐步下降。

2）操做系統相關資源

基於操做系統的性能優化也是多方面的，能夠從系統安裝、系統內核參數、網絡參數、文件系統等幾個方面進行衡量，下面依次進行簡單介紹。

1）系統安裝優化

系統優化能夠從安裝操做系統開始，當安裝Linux系統時，磁盤的劃分，SWAP內存的分配都直接影響之後系統的運行性能。

例如，磁盤分配能夠遵循應用的需求：
1）對於對寫操做頻繁而對數據安全性要求不高的應用，能夠把磁盤作成RAID 0；
2）而對於對數據安全性較高，對讀寫沒有特別要求的應用，能夠把磁盤作成RAID 1；
3）對於對讀操做要求較高，而對寫操做無特殊要求，並要保證數據安全性的應用，能夠選擇RAID 5；
4）對於對讀寫要求都很高，而且對數據安全性要求也很高的應用，能夠選擇RAID10/01；

這樣經過不一樣的應用需求設置不一樣的RAID級別，在磁盤底層對系統進行優化操做。

隨着內存價格的下降和內存容量的日益增大，對虛擬內存SWAP的設定，如今已經沒有了所謂虛擬內存是物理內存兩倍的要求，可是SWAP的設定仍是不能忽略，根據經驗：
1）若是內存較小（物理內存小於4GB），通常設置SWAP交換分區大小爲內存的2倍；
2）若是物理內存大於8GB小於16GB，能夠設置SWAP大小等於或略小於物理內存便可；
3）若是內存大小在16GB以上，原則上能夠設置SWAP爲0，但並不建議這麼作，由於設置必定大小的SWAP仍是有必定做用的。

2）內核參數優化

系統安裝完成後，優化工做並無結束，接下來還能夠對系統內核參數進行優化，不過內核參數的優化要和系統中部署的應用結合起來總體考慮。

例如，若是系統部署的是Oracle數據庫應用，那麼就須要對系統共享內存段（kernel.shmmax、kernel.shmmni、kernel.shmall）、系統信號量（kernel.sem）、文件句柄（fs.file-max）等參數進行優化設置；若是部署的是Web應用，那麼就須要根據Web應用特性進行網絡參數的優化，例如修改net.ipv4.ip_local_port_range、net.ipv4.tcp_tw_reuse、net.core.somaxconn等網絡內核參數。

3）文件系統優化

文件系統的優化也是系統資源優化的一個重點，在Linux下可選的文件系統有ext二、ext三、ReiserFS、ext四、xfs，根據不一樣的應用，選擇不一樣的文件系統。

Linux標準文件系統是從VFS開始的，而後是ext，接着就是ext2，應該說，ext2是Linux上標準的文件系統，ext3是在ext2基礎上增長日誌造成的，從VFS到ext4，其設計思想沒有太大變化，都是早期UNIX家族基於超級塊和inode的設計理念。

XFS文件系統是一個高級日誌文件系統，XFS經過分佈處理磁盤請求、定位數據、保持Cache 的一致性來提供對文件系統數據的低延遲、高帶寬的訪問，所以，XFS極具伸縮性，很是健壯，具備優秀的日誌記錄功能、可擴展性強、快速寫入性能等優勢。

目前服務器端ext4和xfs是主流文件系統，如何選擇合適的文件系統，須要根據文件系統的特色加上業務的需求綜合來定。

3）應用程序軟件資源

應用程序的優化實際上是整個優化工程的核心，若是一個應用程序存在BUG，那麼即便全部其餘方面都達到了最優狀態，整個應用系統仍是性能低下，因此，對應用程序的優化是性能優化過程的重中之重，這就對程序架構設計人員和程序開發人員提出了更高的要求。

3、分析系統性能設計的人員

1）Linux運維人員

在作性能優化過程當中，Linux運維人員承擔着很重要的任務：
1）首先，Linux運維人員要了解和掌握操做系統的當前運行狀態，例如系統負載、內存狀態、進程狀態、CPU負荷等信息，這些信息是檢測和判斷系統性能的基礎和依據；
2）其次，Linux運維人員還有掌握系統的硬件信息，例如磁盤I/O、CPU型號、內存大小、網卡帶寬等參數信息，而後根據這些信息綜合評估系統資源的使用狀況；
3）做爲一名Linux運維人員，還要掌握應用程序對系統資源的使用狀況，更深刻的一點就是要了解應用程序的運行效率，例如是否有程序BUG、內存溢出等問題，經過對系統資源的監控，就能發現應用程序是否存在異常，若是確實是應用程序存在問題，須要把問題馬上反映給程序開發人員，進而改進或升級程序。

性能優化自己就是一個複雜和繁瑣的過程，Linux運維人員只有瞭解了系統硬件信息、網絡信息、操做系統配置信息和應用程序信息纔能有針對性地的展開對服務器性能優化，這就要求Linux運維人員有充足的理論知識、豐富的實戰經驗以及縝密分析問題的頭腦。

2）系統架構設計人員

系統性能優化涉及的第二類人員就是應用程序的架構設計人員。若是Linux運維人員在通過綜合判斷後，發現影響性能的是應用程序的執行效率，那麼程序架構設計人員就要及時介入，深刻了解程序運行狀態。

1）首先，系統架構設計人員要跟蹤瞭解程序的執行效率，若是執行效率存在問題，要找出哪裏出現了問題；
2）其次，若是真的是架構設計出現了問題，那麼就要立刻優化或改進系統架構，設計更好的應用系統架構；

3）軟件開發人員

系統性能優化最後一個環節涉及的是程序開發人員，在Linux運維人員或架構設計人員找到程序或結構瓶頸後，程序開發人員要立刻介入進行相應的程序修改。修改程序要以程序的執行效率爲基準，改進程序的邏輯，有針對性地進行代碼優化。例如，Linux運維人員在系統中發現有條SQL語句耗費大量的系統資源，抓取這條執行的SQL語句，發現此SQL語句的執行效率太差，是開發人員編寫的代碼執行效率低形成的，這就須要把這個信息反饋給開發人員，開發人員在收到這個問題後，能夠有針對性的進行SQL優化，進而實現程序代碼的優化。

從上面這個過程能夠看出，系統性能優化通常遵循的流程是：
1）首先Linux運維人員查看系統的總體情況，主要從系統硬件、網絡設備、操做系統配置、應用程序架構和程序代碼五個方面進行綜合判斷，若是發現是系統硬件、網絡設備或者操做系統配置問題，Linux運維人員能夠根據狀況自主解決；
2）若是發現是程序結構問題，就須要提交給程序架構設計人員；
3）若是發現是程序代碼執行問題，就交給開發人員進行代碼優化；
4）這樣就完成了一個系統性能優化的過程！

4、調優總結

系統性能優化是個涉及面廣、繁瑣、長久的工做，尋找出現性能問題的根源每每是最難的部分，一旦找到出現問題的緣由，性能問題也就迎刃而解。所以，解決問題的思路變得很是重要。

例如，linux系統下的一個網站系統，用戶反映，網站訪問速度很慢，有時沒法訪問。

針對這個問題的解決思路：
1）檢測網絡，能夠經過ping命令檢查網站的域名解析是否正常，同時，ping服務器地址的延時是否過大等等，經過這種方式，首先排除網絡可能出現的問題；若是網絡沒有問題；
2）對linux系統的內存使用情況進行檢查，由於網站響應速度慢，通常跟內存關聯比較大，經過free、vmstat等命令判斷內存資源是否緊缺，若是內存資源不存在問題；
3）檢查系統CPU的負載情況，能夠經過sar、vmstat、top等命令的輸出綜合判斷CPU是否存在過載問題，若是CPU沒有問題；
4）檢查系統的磁盤I/O是否存在瓶頸，能夠經過iostat、vmstat等命令檢查磁盤的讀寫性能，若是磁盤讀寫也沒有問題，linux系統自身的性能問題基本排除，最後要作的是檢查程序自己是否存在問題。經過這樣的思路，層層檢測，步步排查，性能問題就「無處藏身」，查找出現性能問題的環節也就變得很是簡單；

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