影響Linux性能的因素有哪些

Linux操作系統(tǒng)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(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作為一個開源平臺，最終要實現(xiàn)的是通過這些開源軟件的支持，以最低廉的成本，達到應用最優(yōu)的性能。因此，談到性能問題，主要實現(xiàn)的是linux操作系統(tǒng)和應用程序的最佳結合。

一、性能問題綜述

系統(tǒng)的性能是指操作系統(tǒng)完成任務的有效性、穩(wěn)定性和響應速度。Linux系統(tǒng)管理員可能經常會遇到系統(tǒng)不穩(wěn)定、響應速度慢等問題，例如在linux上搭建了一個web服務，經常出現(xiàn)網頁無法打開、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，其實這些都是表面現(xiàn)象。操作系統(tǒng)完成一個任務時，與系統(tǒng)自身設置、網絡拓樸結構、路由設備、路由策略、接入設備、物理線路等多個方面都密切相關，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會影響整個系統(tǒng)的性能。因此當linux應用出現(xiàn)問題時，應當從應用程序、操作系統(tǒng)、服務器硬件、網絡環(huán)境等方面綜合排查，定位問題出現(xiàn)在哪個部分，然后集中解決。

在應用程序、操作系統(tǒng)、服務器硬件、網絡環(huán)境等方面，影響性能最大的是應用程序和操作系統(tǒng)兩個方面，因為這兩個方面出現(xiàn)的問題不易察覺，隱蔽性很強。而硬件、網絡方面只要出現(xiàn)問題，一般都能馬上定位。下面主要講解操作系統(tǒng)方面的性能調優(yōu)思路，應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)性能評價標準四個方面介紹優(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，服務器性能也就相對越好。但事實并非完全如此。

目前大部分CPU在同一時間內只能運行一個線程，超線程的處理器可以在同一時間運行多個線程，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，只有運行SMP內核才能支持超線程，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內核會把多核的處理器當作多個單獨的CPU來識別，例如兩個4核的CPU，在Lnux系統(tǒng)下會被當作8個單核CPU。但是從性能角度來講，兩個4核的CPU和8個單核的CPU并不完全等價，根據權威部門得出的測試結論，前者的整體性能要比后者低25％~30％。

可能出現(xiàn)CPU瓶頸的應用有db服務器、動態(tài)Web服務器等，對于這類應用，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，內存太小，系統(tǒng)進程將被阻塞，應用也將變得緩慢，甚至失去響應；內存太大，導致資源浪費。Linux系統(tǒng)采用了物理內存和虛擬內存兩種方式，虛擬內存雖然可以緩解物理內存的不足，但是占用過多的虛擬內存，應用程序的性能將明顯下降，要保證應用程序的高性能運行，物理內存一定要足夠大；但是過大的物理內存，會造成內存資源浪費，例如，在一個32位處理器的Linux操作系統(tǒng)上，超過8GB的物理內存都將被浪費。因此，要使用更大的內存，建議安裝64位的操作系統(tǒng)，同時開啟Linux的大內存內核支持。

由于處理器尋址范圍的限制，在32位Linux操作系統(tǒng)上，應用程序單個進程最大只能使用4GB的內存，這樣以來，即使系統(tǒng)有更大的內存，應用程序也無法“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，可以滿足所有應用程序對內存的使用需求 ，幾乎沒有限制。

可能出現(xiàn)內存性能瓶頸的應用有NOSQL服務器、數(shù)據庫服務器、緩存服務器等，對于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，如果磁盤I/O性能得不到滿足，就會導致應用停滯。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。
通過RAID技術組成的磁盤組，就相當于一個大硬盤，用戶可以對它進行分區(qū)格式化、建立文件系統(tǒng)等操作，跟單個物理硬盤一模一樣，唯一不同的是RAID磁盤組的I/O性能比單個硬盤要高很多，同時在數(shù)據的安全性也有很大提升。

根據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，這里進行簡單介紹。

RAID 0：通過把多塊硬盤粘合成一個容量更大的硬盤組，提高了磁盤的性能和吞吐量。這種方式成本低，要求至少兩個磁盤，但是沒有容錯和數(shù)據修復功能，因而只能用在對數(shù)據安全性要求不高的環(huán)境中。
RAID 1：也就是磁盤鏡像，通過把一個磁盤的數(shù)據鏡像到另一個磁盤上，最大限度地保證磁盤數(shù)據的可靠性和可修復性，具有很高的數(shù)據冗余能力，但磁盤利用率只有50%，因而，成本最高，多用在保存重要數(shù)據的場合。
RAID5：采用了磁盤分段加奇偶校驗技術，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)據的可用性。
RAID0+1：把RAID0和RAID1技術結合起來就成了RAID0+1，至少需要4個硬盤。此種方式的數(shù)據除分布在多個盤上外，每個盤都有其鏡像盤，提供全冗余能力，同時允許一個磁盤故障，而不影響數(shù)據可用性，并具有快速讀/寫能力。

通過了解各個RAID級別的性能，可以根據應用的不同特性，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(yōu)性能。

4．網絡寬帶

Linux下的各種應用，一般都是基于網絡的，因此網絡帶寬也是影響性能的一個重要因素，低速的、不穩(wěn)定的網絡將導致網絡應用程序的訪問阻塞，而穩(wěn)定、高速的網絡帶寬，可以保證應用程序在網絡上暢通無阻地運行。幸運的是，現(xiàn)在的網絡一般都是千兆帶寬或光纖網絡，帶寬問題對應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)內核參數(shù)、網絡參數(shù)、文件系統(tǒng)等幾個方面進行衡量，下面依次進行簡單介紹。

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，當安裝Linux系統(tǒng)時，磁盤的劃分，SWAP內存的分配都直接影響以后系統(tǒng)的運行性能。例如，磁盤分配可以遵循應用的需求：

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

而對于對數(shù)據安全性較高，對讀寫沒有特別要求的應用，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)據安全性的應用，可以選擇RAID 5；

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

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

隨著內存價格的降低和內存容量的日益增大，對虛擬內存SWAP的設定，現(xiàn)在已經沒有了所謂虛擬內存是物理內存兩倍的要求，但是SWAP的設定還是不能忽略，根據經驗：

如果內存較小（物理內存小于4GB），一般設置SWAP交換分區(qū)大小為內存的2倍；

如果物理內存大于8GB小于16GB，可以設置SWAP大小等于或略小于物理內存即可；

如果內存大小在16GB以上，原則上可以設置SWAP為0，但并不建議這么做，因為設置一定大小的SWAP還是有一定作用的。

2．內核參數(shù)優(yōu)化

系統(tǒng)安裝完成后，優(yōu)化工作并沒有結束，接下來還可以對系統(tǒng)內核參數(shù)進行優(yōu)化，不過內核參數(shù)的優(yōu)化要和系統(tǒng)中部署的應用結合起來整體考慮。

例如，如果系統(tǒng)部署的是Oracle數(shù)據庫應用，那么就需要對系統(tǒng)共享內存段（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)進行優(yōu)化設置；如果部署的是Web應用，那么就需要根據Web應用特性進行網絡參數(shù)的優(yōu)化，例如修改net.ipv4.ip_local_port_range、net.ipv4.tcp_tw_reuse、net.core.somaxconn等網絡內核參數(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)化的一個重點，在Linux下可選的文件系統(tǒng)有ext2、ext3、ReiserFS、ext4、xfs，根據不同的應用，選擇不同的文件系統(tǒng)。

Linux標準文件系統(tǒng)是從VFS開始的，然后是ext，接著就是ext2，應該說，ext2是Linux上標準的文件系統(tǒng)，ext3是在ext2基礎上增加日志形成的，從VFS到ext4，其設計思想沒有太大變化，都是早期UNIX家族基于超級塊和inode的設計理念。

XFS文件系統(tǒng)是一個高級日志文件系統(tǒng)，XFS通過分布處理磁盤請求、定位數(shù)據、保持Cache 的一致性來提供對文件系統(tǒng)數(shù)據的低延遲、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、可擴展性強、快速寫入性能等優(yōu)點。

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

2.3 、應用程序軟件資源

應用程序的優(yōu)化其實是整個優(yōu)化工程的核心，如果一個應用程序存在BUG，那么即使所有其他方面都達到了最優(yōu)狀態(tài)，整個應用系統(tǒng)還是性能低下，所以，對應用程序的優(yōu)化是性能優(yōu)化過程的重中之重，這就對程序架構設計人員和程序開發(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運維人員

在做性能優(yōu)化過程中，Linux運維人員承擔著很重要的任務。

首先，Linux運維人員要了解和掌握操作系統(tǒng)的當前運行狀態(tài)，例如系統(tǒng)負載、內存狀態(tài)、進程狀態(tài)、CPU負荷等信息，這些信息是檢測和判斷系統(tǒng)性能的基礎和依據；

其次，Linux運維人員還有掌握系統(tǒng)的硬件信息，例如磁盤I/O、CPU型號、內存大小、網卡帶寬等參數(shù)信息，然后根據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運維人員，還要掌握應用程序對系統(tǒng)資源的使用情況，更深入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，通過對系統(tǒng)資源的監(jiān)控，就能發(fā)現(xiàn)應用程序是否存在異常，如果確實是應用程序存在問題，需要把問題立刻反映給程序開發(fā)人員，進而改進或升級程序。

性能優(yōu)化本身就是一個復雜和繁瑣的過程，Linux運維人員只有了解了系統(tǒng)硬件信息、網絡信息、操作系統(tǒng)配置信息和應用程序信息才能有針對性地的展開對服務器性能優(yōu)化，這就要求Linux運維人員有充足的理論知識、豐富的實戰(zhàn)經驗以及縝密分析問題的頭腦。

3.2、系統(tǒng)架構設計人員

系統(tǒng)性能優(yōu)化涉及的第二類人員就是應用程序的架構設計人員。如果Linux運維人員在經過綜合判斷后，發(fā)現(xiàn)影響性能的是應用程序的執(zhí)行效率，那么程序架構設計人員就要及時介入，深入了解程序運行狀態(tài)。

首先，系統(tǒng)架構設計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，如果真的是架構設計出現(xiàn)了問題，那么就要馬上優(yōu)化或改進系統(tǒng)架構，設計更好的應用系統(tǒng)架構。

3.3、軟件開發(fā)人員

系統(tǒng)性能優(yōu)化最后一個環(huán)節(jié)涉及的是程序開發(fā)人員，在Linux運維人員或架構設計人員找到程序或結構瓶頸后，程序開發(fā)人員要馬上介入進行相應的程序修改。修改程序要以程序的執(zhí)行效率為基準，改進程序的邏輯，有針對性地進行代碼優(yōu)化。例如，Linux運維人員在系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)有條SQL語句耗費大量的系統(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，這就需要把這個信息反饋給開發(fā)人員，開發(fā)人員在收到這個問題后，可以有針對性的進行SQL優(yōu)化，進而實現(xiàn)程序代碼的優(yōu)化。

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

首先Linux運維人員查看系統(tǒng)的整體狀況，主要從系統(tǒng)硬件、網絡設備、操作系統(tǒng)配置、應用程序架構和程序代碼五個方面進行綜合判斷，如果發(fā)現(xiàn)是系統(tǒng)硬件、網絡設備或者操作系統(tǒng)配置問題，Linux運維人員可以根據情況自主解決；

如果發(fā)現(xiàn)是程序結構問題，就需要提交給程序架構設計人員；

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

這樣就完成了一個系統(tǒng)性能優(yōu)化的過程。

四、調優(yōu)總結

系統(tǒng)性能優(yōu)化是個涉及面廣、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)下的一個網站系統(tǒng)，用戶反映，網站訪問速度很慢，有時無法訪問。

針對這個問題:

第一步要做的是檢測網絡，可以通過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，通過這種方式，首先排除網絡可能出現(xiàn)的問題；如果網絡沒有問題

接著進入第二步，對linux系統(tǒng)的內存使用狀況進行檢查，因為網站響應速度慢，一般跟內存關聯(lián)比較大，通過free、vmstat等命令判斷內存資源是否緊缺，如果內存資源不存在問題

進入第三步，檢查系統(tǒng)CPU的負載狀況，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。

編輯：黃飛

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