Linux性能监控与调优工具

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除了保证程序的正确性以外， 在项目开发中往往还关心性能和稳定性。 这时候， 我们往往要对内核、应用程序或整个系统进行性能优化。 在性能优化中常用的手段如下。

1.使用top、 vmstat、 iostat、 sysctl等常用工具

top命令用于显示处理器的活动状况。在缺省情况下，显示占用CPU最多的任务，并且每隔5s做一次刷新；vmstat命令用于报告关于内核线程、虚拟内存、磁盘、陷阱和CPU活动的统计信息；iostat命令用于分析各个磁盘的传输闲忙状况；netstat是用来检测网络信息的工具；sar用于收集、报告或者保存系统活动信息，其中，sar用于显示数据，sar1和sar2用于收集和保存数据。
sysctl是一个可用于改变正在运行中的Linux系统的接口。用sysctl可以读取几百个以上的系统变量，例如用sysctl–a可读取所有变量。
sysctl的实现原理是：所有的内核参数在/proc/sys中形成一个树状结构，sysctl系统调用的内核函数是sys_sysctl，匹配项目后，最后的读写在do_sysctl_strategy中完成，如

echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

就等价于：

sysctl –w net.ipv4.ip_forward ="1"

2.使用高级分析手段， 如OProfile、 gprof

OProfile可以帮助用户识别诸如模块的占用时间、循环的展开、高速缓存的使用率低、低效的类型转换和冗余操作、错误预测转移等问题。它收集有关处理器事件的信息，其中包括TLB的故障、停机、存储器访问以及缓存命中和未命中的指令的攫取数量。
OProfile支持两种采样方式：基于事件的采样（Event Based）和基于时间的采样（Time Based）。基于事件的采样是OProfile只记录特定事件（比如L2缓存未命中）的发生次数，当达到用户设定的定值时Oprofile就记录一下（采一个样）。这种方式需要CPU内部有性能计数器（Performace Counter）。基于时间的采样是OProfile借助OS时钟中断的机制，在每个时钟中断，OProfile都会记录一次（采一次样）。引入它的目的在于，提供对没有性能计数器的CPU的支持，其精度相对于基于事件的采样要低，因为要借助OS时钟中断的支持，对于禁用中断的代码，OProfile不能对其进行分析。
OProfile在Linux上分两部分，一个是内核模块（oprofile.ko），另一个是用户空间的守护进程（oprofiled）。前者负责访问性能计数器或者注册基于时间采样的函数，并将采样值置于内核的缓冲区内。后者在后台运行，负责从内核空间收集数据，写入文件。其运行步骤如下。
1）初始化opcontrol–init
2）配置opcontrol–setup–event=…
3）启动opcontrol–start
4）运行待分析的程序xxx
5）取出数据
opcontrol–dump
opcontrol–stop
6）分析结果opreport-l./xxx
用GNU gprof可以打印出程序运行中各个函数消耗的时间，以帮助程序员找出众多函数中耗时最多的函数；还可产生程序运行时的函数调用关系，包括调用次数，以帮助程序员分析程序的运行流程。
GNU gprof的实现原理：在编译和链接程序的时候（使用-pg编译和链接选项），gcc在应用程序的每个函数中都加入名为mcount（_mcount或__mcount，依赖于编译器或操作系统）的函数，也就是说应用程序里的每一个函数都会调用mcount，而mcount会在内存中保存一张函数调用图，并通过函数调用堆栈的形式查找子函数和父函数的地址。这张调用图也保存了所有与函数相关的调用时间、调用次数等的所有信息。
GNU gprof的基本用法如下。
1）使用-pg编译和链接应用程序。
2）执行应用程序并使它生成供gprof分析的数据。
3）使用gprof程序分析应用程序生成的数据。
3.进行内核跟踪，如LTTng
LTTng（Linux Trace Toolkit-next generation，官方网站为http://lttng.org/）是一个用于跟踪系统详细运行状态和流程的工具，它可以跟踪记录系统中的特定事件。这些事件包括：系统调用的进入和退出；陷阱/中断（Trap/Irq）的进入和退出；进程调度事件；内核定时器；进程管理相关事件——创建、唤醒、信号处理等；文件系统相关事件——open/read/write/seek/ioctl等；内存管理相关事件——内存分配/释放等；其他IPC/套接字/网络等事件。而对于这些记录，我们可以通过图形的方式经由lttv-gui查看，如图21.9所示。

4.使用LTP进行压力测试

LTP（Linux Test Project，官方网站为http://ltp.sourceforge.net/）是一个由SGI发起并由IBM负责维护的合作计划。它的目的是为开源社区提供测试套件来验证Linux的可靠性、健壮性和稳定性。它通过压力测试来判断系统的稳定性和可靠性，在工程中我们可使用LTP测试套件对Linux操作系统进行超长时间的测试，它可进行文件系统压力测试、硬盘I/O测试、内存管理压力测试、IPC压力测试、SCHED测试、命令功能的验证测试、系统调用功能的验证测试等。

5.使用Benchmark评估系统

可用于Linux的Benchmark的包括lmbench、 UnixBench、 AIM9、 Netperf、 SSLperf、 dbench、 Bonnie、Bonnie++、 Iozone、 BYTEmark等， 它们可用于评估操作系统、 网络、 I/O子系统、 CPU等的性能， 参考网址http://lbs.sourceforge.net/列出了许多Benchmark工具。