Linux性能优化（五）——性能监控工具
一、性能分析工具简介
Brendan Gregg是算机性能设计、分析和调优专家，编写开源大量性能测试工具。
http://www.brendangregg.com
1、性能分析工具
2、性能观测工具
3、性能测评工具
4、性能调优工具
二、常用工具
1、free
free指令会显示内存的使用情况，包括实体内存、虚拟的交换文件内存、共享内存区段以及系统核心使用的缓冲区等。free [-bkmotV][-s <间隔秒数>]
-b 以Byte为单位显示内存使用情况。
-k 以KB为单位显示内存使用情况。
-m 以MB为单位显示内存使用情况。
-h 以合适的单位显示内存使用情况，最大为三位数，自动计算对应的单位值。单位有：
-o 不显示缓冲区调节列。
-s<间隔秒数> 持续观察内存使用状况。
-t 显示内存总和列。
-V 显示版本信息。
free -h
total：表示计物理内存的大小，used+free+buff/cache。
used：表示已使用多少。
free：表示可用内存多少。
Shared：表示多个进程共享的内存总额。
buffer/cache：表示磁盘缓存的大小。buffer cache比较小，即缓存经常访问块设备的元数据；cache比较大，page cache，即缓存文件内容+slab。
available: 剩余可用内存。
2、top
top命令的汇总区域显示了五个方面的系统性能信息：
（1）负载：时间，登陆用户数，系统平均负载；
（2）进程：运行，睡眠，停止，僵尸；
（3）CPU：用户态，核心态，NICE，空闲，等待IO，中断等；
（4）内存：总量，已用，空闲（系统角度），缓冲，缓存；
（5）交换分区：总量，已用，空闲；
任务区域默认显示：进程ID，有效用户，进程优先级，NICE值，进程使用的虚拟内存，物理内存和共享内存，进程状态，CPU占用率，内存占用率，累计CPU时间，进程命令行信息。
3、ps
ps命令是Process Status缩写，用来查看系统中当前运行的进程。
a：显示所有进程
-a：显示同一终端下的所有程序
-A：显示所有进程
c：显示进程的真实名称
-N：反向选择
-e：等于“-A”
e：显示环境变量
f：显示程序间的关系
-H：显示树状结构
r：显示当前终端的进程
T：显示当前终端的所有程序
u：指定用户的所有进程ps aux | grep mysqld | grep –v grep | awk ‘{print $2 }’ xargs kill -9
杀掉应用程序ps –eal | awk ‘{if ($2 == “Z”){print $4}}’ | xargs kill -9
杀掉僵尸进程ps -ef
显示所有进程，包括命令行ps aux
列出目前正在内存当中的程序ps -u username
查看特定用户的进程ps -aux --sort -pcpu | less
根据CPU使用升序排序ps -aux --sort -pmem | less
根据内存使用升序排序ps -L pid
查看指定进程的线程ps -axjf
树形结构显示进程ps -eo pid,user,args
查看登录服务器的进程watch -n 1 'ps -aux --sort -pmem,-pcpu'
实时监控进程状态
4、strace
strace常用来跟踪进程执行时的系统调用和所接收的信号。在Linux中，进程不能直接访问硬件设备，当进程需要访问硬件设备(比如读取磁盘文件，接收网络数据等等)时，必须由用户态模式切换至内核态模式，通过系统调用访问硬件设备。strace可以跟踪到一个进程产生的系统调用，包括参数、返回值、执行消耗的时间。strace -c[df] [-In] [-bexecve] [-eexpr]... [-Ooverhead] [-Ssortby] -ppid... / [-D] [-Evar[=val]]... [-uusername] command [args]
-c：统计每一系统调用的所执行的时间、次数和出错的次数等。
-d：输出strace关于标准错误的调试信息
-f：跟踪由fork调用所产生的子进程
-ff：如果提供-o filename，则所有进程的跟踪结果输出到相应的filename.pid中，pid是各进程的进程号。
-F：尝试跟踪vfork调用，-f时vfork不被跟踪。
-h：输出简要的帮助信息。
-i：输出系统调用的入口指针。
-q：禁止输出关于脱离的消息。
-r：打印出相对时间关于,,每一个系统调用.
-t：在输出中每一行前加上时间信息。
-tt：在输出中的每一行前加上时间信息，微秒级。
-ttt：微秒级输出，以秒显示时间。
-T：显示每一调用所耗的时间，以秒为单位。
-v：输出所有的系统调用。
-V：输出strace的版本信息。
-x：以十六进制形式输出非标准字符串
-xx：所有字符串以十六进制形式输出.
-a column：设置返回值的输出位置，默认为40。
-e expr：指定一个表达式，用来控制如何跟踪。格式如下:
[qualifier=][!]value1[,value2]...
qualifier可选值为trace、abbrev、verbose、raw、signal、read、write，value是用来限定的符号或数字，默认qualifier是 trace，感叹号是否定符号，例如:
-eopen等价于-e trace=open，表示只跟踪open调用，而-etrace!=open表示跟踪除open外的其它调用。
-e trace=open,close,rean,write表示只跟踪四个系统调用，默认set=all。
-e trace=file 只跟踪有关文件操作的系统调用。
-e trace=process只跟踪有关进程控制的系统调用。
-e trace=network跟踪与网络有关的所有系统调用。
-e strace=signal跟踪所有与系统信号有关的系统调用。
-e trace=ipc跟踪所有与进程通讯有关的系统调用。
-e abbrev=set设定strace输出的系统调用的结果集。
-e raw=set将指定的系统调用的参数以十六进制显示。
-e signal=set指定跟踪的系统信号，默认为all，如 signal=!SIGIO表示不跟踪SIGIO信号。
-e read=set输出从指定文件中读出数据。
-o filename：将strace的输出写入文件filename。
-p pid：跟踪指定的进程pid。
-s strsize：指定输出的字符串的最大长度，默认为32，文件名一直全部输出.
-u username：以username 的UID和GID执行被跟踪的命令strace -p pid
追踪已经存在的进程
strace command args
追踪应用启动过程
5、df
df（disk free）命令用于显示Linux系统上的文件系统磁盘使用情况统计。df [选项]... [FILE]...
-a, --all：包含所有文件系统
--block-size={SIZE}：使用SIZE大小的Blocks
-h, --human-readable：可读格式
-H, --si：1000为单位显示
-i, --inodes：列出 inode 资讯，不列出已使用 block
-k, --kilobytes：--block-size=1024
-l, --local：限制列出的文件结构
-m, --megabytes：--block-size=1048576
--no-sync：显示信息前不sync，默认设置
-P, --portability：使用POSIX输出格式
--sync：先sync再显示信息
-t, --type=TYPE：限制列出文件系统的TYPE
-T, --print-type：显示文件系统的形式
-x, --exclude-type=TYPE：限制列出文件系统不要显示TYPE
--help：打印帮助信息
--version：打印版本
6、du
du（disk usage）命令用于显示目录或文件所占用的磁盘空间。du [-abcDhHklmsSx][-X文件][--block-size][--exclude=目录或文件][--max-depth=目录层数][--help][--version][目录或文件] [-L 链接符号]
-a或-all：显示目录和文件的大小。
-b或-bytes：显示目录或文件大小时，以byte为单位。
-c或--total：显示目录或文件的大小以及大小总和。
-D或--dereference-args：显示指定符号链接的源文件大小。
-h或--human-readable：以K，M，G为单位，提高信息的可读性。
-H或--si：K，M，G是以1000为换算单位。
-k或--kilobytes：以1024 bytes为单位。
-l或--count-links：重复计算硬件连接的文件。
-L<符号连接>或--dereference<符号连接>：显示选项中所指定符号连接的源文件大小。
-m或--megabytes：以1MB为单位。
-s或--summarize：仅显示总计。
-S或--separate-dirs：显示目录的大小时，不含其子目录的大小。
-x或--one-file-xystem：以开始处理时的文件系统为准，若遇上其它文件系统目录则略过。
-X<文件>或--exclude-from=<文件>：在<文件>指定目录或文件。
--exclude=<目录或文件>：略过指定的目录或文件。
--max-depth=<目录层数>：超过指定层数的目录后，予以忽略。
--help：显示帮助。
--version：显示版本信息。
三、dstat
1、dstat简介
dstat是一个全能系统信息统计工具，提供vmstat、iostat、netstat、nfsstat、ifstat等命令工具类似功能。dstat拥有彩色界面并支持即时刷新。
dstat提供的下列状态的性能监控：
（1）CPU状态：CPU使用率，显示用户、内核、空闲、等待、硬中断、软中断。
（2）磁盘统计：磁盘读写，显示磁盘的读、写总数。
（3）网络统计：网络设备发送和接收的数据，显示的网络收、发数据总数。
（4）分页统计：系统的分页活动。显示in（换入）和out（换出）。
（5）系统统计：显示中断（int）和上下文切换（csw）。
dstat安装：yum install dstat
2、dstat命令格式
dstat [-afv] [options..] [delay [count]]
-c, --cpu：显示CPU使用情况
-C 0,3,total：统计指定CPU或汇总信息
-d, --disk：显示磁盘使用情况
-D total,hda：统计指定磁盘或汇总信息
-g, --page：显示分页情况
-i, --int：显示中断统计
-I 5,eth2：显示平均负载情况，包括1分钟、5分钟、15分钟平均值
-l, --load：开启平均负载统计
-m, --mem：显示内存使用情况
-n, --net：显示网络信息
-N eth1,total：指定网络接口
-p, --proc：统计进程信息，包括runnable、uninterruptible、new
-r, --io：统计I/O请求，包括读写请求
-s, --swap：显示swap使用情况
-S swap1,total：可以指定多个swap
-t, --time：显示统计时时间，对分析历史数据非常有用
-y, --sys：统计系统信息，包括中断、上下文切换
--ipc：显示IPC使用情况，消息队列、信号量、共享内存
--lock：统计lock信息
--raw：统计raw信息
--tcp：统计tcp信息
--udp：统计udp信息
--unix：统计unix信息
-M stat1,stat2：统计external信息
-a, --all：等同于-cdngy
-f, --full：等同于-C -D -I -N -S
-v, --vmstat：等同于-pmgdsc -D
--integer：强制输出整型值，默认
--nocolor：禁用颜色功能
--noheaders：禁止重复输出header，默认打印依次屏幕输出一次header
--noupdate：当delay大于1时，禁止在时间间隔内更新
--output file：输出状态信息到CVS文件
--aio：开启同步IO统计
3、dstat插件简介
dstat通过插件方式提供灵活可扩展的功能，dstat --list可以查看dstat支持的所有参数，internal是dstat自带的监控参数，/usr/share/dstat是dstat支持的插件，这些插件可以扩展dstat的功能，如可以监控电源（battery）、mysql等。
但插件并不是都可以直接使用，部分插件还依赖其它python包支持，如想监控mysql，必须要装python连接mysql的一些包。
4、dstat插件命令
--battery：电池电池百分比(需要ACPI)
--battery-remain：电池剩余小时、分钟(需要ACPI)
--cpufreq：CPU频率百分比(需要ACPI)
--dbus：dbus连接的数量(需要python-dbus)
--disk-util：显示某一时间磁盘的忙碌状况
--fan：风扇转速(需要ACPI)
--freespace：每个文件系统的磁盘使用情况
--gpfs：gpfs读/写 I / O(需要mmpmon)
--gpfs-ops：GPFS文件系统操作(需要mmpmon)
--helloworld：dstat插件Hello world示例
--innodb-buffer：显示innodb缓冲区统计
--innodb-io：显示innodb I / O统计数据
--innodb-ops：显示innodb操作计数器
--lustre：显示lustreI / O吞吐量
--memcache-hits：显示memcache 的命中和未命中的数量
--mysql5-cmds：显示MySQL5命令统计
--mysql5-conn：显示MySQL5连接统计
--mysql5-io：MySQL5 I / O统计数据
--mysql5-keys：显示MySQL5关键字统计
--mysql-io：显示MySQL I / O统计数据
--mysql-keys：显示MySQL关键字统计
--net-packets：显示接收和发送的数据包的数量
--nfs3：显示NFS v3客户端操作
--nfs3-ops：显示扩展NFS v3客户端操作
--nfsd3：显示NFS v3服务器操作
--nfsd3-ops：显示扩展NFS v3服务器操作
--ntp：显示NTP服务器的ntp时间
--postfix：显示后缀队列大小(需要后缀)
--power：显示电源使用量
--proc-count：显示进程的总数
--rpc：显示rpc客户端调用统计
--rpcd：显示RPC服务器调用统计
--sendmail：显示sendmail队列大小(需要sendmail)
--snooze：显示每秒运算次数
--test：显示插件输出
--thermal：热系统的温度传感器
--top-bio：显示消耗块IO最大的进程
--top-cpu：显示消耗CPU最大的进程
--top-cputime：显示使用CPU时间最大的进程(单位ms)
--top-cputime-avg：显示使用CPU时间平均最大的进程(单位ms)
--top-io：显示消耗I/O最大进程
--top-latency：显示总延迟最大的进程(单位ms)
--top-latency-avg：显示平均延时最大的进程(单位ms)
--top-mem：显示使用内存最大的进程
--top-oom：显示第一个被OOM结束的进程
--utmp：显示utmp连接的数量(需要python-utmp)
--vmk-hba：显示VMware ESX内核vmhba统计数
--vmk-int：显示VMware ESX内核中断数据
--vmk-nic：显示VMware ESX内核端口统计
--vz-io：显示每个OpenVZ请求CPU使用率
--vz-ubc：显示OpenVZ用户统计
--wifi：无线连接质量和信号噪声比
--disk-util：显示某一时间磁盘的忙碌状况
--freespace：显示当前磁盘空间使用率
--proc-count：显示正在运行的程序数量
--top-bio：示块IO最大的进程
--top-cpu：显示CPU占用最大的进程
--top-io：显示正常IO最大的进程
--top-mem：显示占用最多内存的进程
5、dstat常用命令
（1）CPU使用情况查看
查看CPU使用情况，执行命令dstat -c。显示各个信息为CPU用户占用，系统占用，空闲，等待，中断，软件中断等信息。dstat -c
（2）磁盘使用情况查看 dstat -d
（3）网络状态查看dstat -n
（4）内存使用信息查看dstat -m
（5）系统平均负载查看dstat -l
（6）IO使用情况查看dstat -r
（7）TCP、UDP查看dstat --tcp --udp -t -c 3
四、iotop
1、iotop简介
iotop是一个用来监视磁盘IO使用状况的top类工具，可监测进程使用的磁盘IO的信息（requires 2.6.20 or later）。
iotop 监控Linux内核输出的IO使用信息，并且显示一个系统中进程或线程的当前IO使用情况。yum -y install iotop
2、iotop命令
iotop [OPTIONS]
--version：显示版本号
-h, --help：显示帮助信息
-o, --only：仅显示正在产生IO操作的进程或者线程，可以随时按o切换。
-b, --batch：运行在非交互式的模式
-n NUM, --iter=NUM：在非交互式模式下，设置显示次数，
-d SEC, --delay=SEC：设置显示的间隔秒数，支持非整数值
-p PID, --pid=PID：只显示指定PID的信息
-u USER, --user=USER：显示指定用户的进程信息
-P, --processes：只显示进程，一般为显示所有的线程
-a, --accumulated：显示从iotop启动后每个线程完成了的IO总数
-k, --kilobytes：以KB显示
-t, --time：在每一行前添加一个当前的时间
3、iotop快捷键
r：反向排序，
o：切换至选项--only，
p：切换至--processes选项，
a：切换至--accumulated选项
q：退出
i：改变线程的优先级
4、iotop常用命令
iotop
第一行表示进程的磁盘读写大小总数。
第二行表示磁盘真实的读写大小总数。由于缓存、缓冲区、IO合并等因素的影响，可能并不相等于进程的磁盘读写大小总数。
进程部分，从各个角度来分别表示进程的IO情况，包括线程ID、IO 优先级、每秒读磁盘的大小、每秒写磁盘的大小、换入和等待IO的时钟百分比等。iotop -b -o -n 2 -d 5 -t
使用非交互模式将iotop命令输出信息写入日志。
五、blktrace
1、blktrace简介
blktrace是一个针对Linux内核中块设备IO层的跟踪工具，用来收集磁盘IO信息中当IO进行到块设备层（block）时的详细信息（如IO请求提交、入队、合并、完成等信息），是由Linux内核块设备层的维护者开发的，目前已经集成到内核2.6.17及其后内核版本中。blktrace可以获取IO请求队列的各种详细的情况，包括进行读写的进程名称、进程号、执行时间、读写的物理块号、块大小等。
2、blktrace安装
在线安装：yum install blktrace
3、blktrace工作原理
（1）blktrace测试时会分配物理机上逻辑CPU数量个线程，并且每一个线程绑定一个逻辑CPU来收集数据。
（2）blktrace在debugfs挂载的路径（默认/sys/kernel/debug）下每个线程产生一个文件，然后调用ioctl函数，通过系统调用交由内核处理，由内核经由debugfs文件系统往文件描述符写入数据。
（3）blktrace需要结合blkparse使用，由blkparse来解析blktrace产生的特定格式的二进制数据。
（4）blkparse仅打开blktrace产生的文件，从文件里面取数据进行解析展示。
4、blktrace命令
blktrace -d dev [ -r debugfs_path ] [ -o output ] [ -w time ] [ -a action ] [ -A action_mask ] [ -v ]
-A hex-mask：设置过滤信息mask成十六进制mask
-a mask：添加mask到当前的过滤器
-b size：指定缓存大小for提取的结果，默认为512KB
-d dev：添加一个设备追踪
-I file：增加文件的设备到追踪
-k：杀掉正在运行的追踪进程
-n num-sub：指定缓冲池大小，默认为4个子缓冲区
-o file：指定输出文件的名字
-r rel-path：指定的debugfs挂载点
-V：打印版本号
-w seconds：设置运行的时间sudo blktrace -d /dev/sda -o test1
5、blkparse
blkparse是分析和展示blktrace采集数据的工具。blktrace -d /dev/sda -o - | blkparse -i -
将blktrace结果输出到屏幕，然后blkparse将屏幕中的blktrace结果作为分析的输入，最后将分析的结果输出到屏幕。blktrace -d /dev/sda |blkparse -i -
将blktrace结果输出到本地目录，文件名为sda.blktrace.x，blkparse -i trace
将trace文件作为blkparse输入，blkparse结果输出到屏幕。blkparse -i trace -o outout
将trace文件作为blkparse输入，将分析结果输出到output文件。
六、perf
1、perf简介
perf是 Linux Kernel 2.6.31以后内置的性能分析工具，以性能事件采样为基础，不仅可以分析系统的各种事件和内核性能，还可以用来分析指定应用程序的性能问题。perf top能够实时显示占用CPU时钟最多的函数或者指令，可以用来查找热点函数。
2、perf命令
perf [--version] [--help] [OPTIONS] COMMAND [ARGS]
annotate：解析perf.data文件，显示被注释的代码。
archive：根据perf.data数据文件记录的build-id，将所有被采样的elf文件打包，可以在其它机器上分析数据文件中记录的采样数据。
bench：perf中内置的benchmark，包括针对调度器和内存管理子系统的benchmark。
buildid-cache：管理perf的buildid缓存，每个elf文件都有一个唯一buildid，buildid被perf用来关联性能数据与elf文件。
buildid-list：列出数据文件中记录的所有buildid。
config：在配置文件获取和设置变量
data： Data file related processing
diff： 对比两个perf.data数据文件的差异，给出每个符号（函数）在热点分析上的具体差异。
evlist：列出数据文件perf.data中所有性能事件。
inject：读取perf record工具记录的事件流，并将其定向到标准输出。在被分析代码中的任何一点，都可以向事件流中注入其它事件。
kmem： 针对内核内存（slab）子系统进行追踪测量的工具
kvm：追踪测试运行在KVM虚拟机上的Guest OS。
list：列出当前系统支持的所有性能事件，包括硬件性能事件、软件性能事件以及检查点。
lock：分析内核中的锁信息，包括锁的争用情况，等待延迟等。
mem：分析内存访问情况
record：收集采样信息，并将其记录在perf.data数据文件中。
report：读取perf record创建的数据文件，并给出热点分析结果。
sched：针对调度器子系统的分析工具。
script：执行perl或python写的功能扩展脚本、生成脚本框架、读取数据文件中的数据信息等。
stat：系统全局性能统计工具
test：perf对当前软硬件平台进行健全性测试，测试当前软硬件平台是否能支持perf所有功能。
timechart：针对测试期间系统行为进行可视化的工具
top：系统性能实时分析工具
probe：定义动态检查点。
trace：追踪系统调用工具
3、perf record
perf record [<options>] [<command>]
-e event：指定性能事件（多个用,分隔列表）
-p pid：指定待分析进程pid（多个用,分隔列表）
-t tid：指定待分析线程tid（多个用,分隔列表）
-u uid：指定收集用户数据，uid为名称或数字
-a：从所有CPU收集系统数据
-g：开启函数调用关系图记录
-C cpu-list：只统计指定CPU列表的数据，如：0,1,3或1-2
-r RT priority：perf程序以SCHED_FIFO实时优先级RT priority运行，值越大进程优先级越高（即nice值越小）
-c count： 事件每发生count次采一次样
-F n：每秒采样n次
-o output.data：指定输出文件output.data，默认输出到perf.data
4、perf top
perf top [<options>]
-e event：指定采样分析的性能事件。
-p pid：指定目标进程
-k pat：指定带符号表的内核映像所在路径
-K：不显示属于内核或模块的符号。
-U：不显示属于用户态程序的符号。
-d n：刷新周期，默认为2s，默认每2s从mmap的内存区域读取一次性能数据。
-g：得到函数的调用关系图。
第一行分别是采样数（Samples）、事件类型（event）和事件总数量（Event count）。perf总共采集4000个CPU时钟事件，而总事件数则为1922242080。如果采样数过少，后序数据无实际参考价值。
第一列Overhead是symbol的性能事件在所有采样中的比例，用百分比来表示。
第二列Shared是函数或指令所在的动态共享对象（Dynamic Shared Object），如内核、进程名、动态链接库名、内核模块名等。
第三列Object是动态共享对象的类型。[.]表示用户空间的可执行程序、或者动态链接库，而[k]表示内核空间。
第四列Symbol是符号名，即函数名。当函数名未知时，用十六进制的地址来表示。
perf top可以实时展示系统的性能信息，但并不保存数据，因此不能用于离线或者后续分析。perf record提供了保存数据的功能，保存后的数据需要使用perf report解析展示。
perf top 和 perf record加上-g参数，开启调用关系采样，可以根据调用链来分析性能问题。
perf工具看不到函数名，只能看到一些 16 进制格式的函数地址。其实，只要你观察一下 perf 界面最下面的那一行，就会发现一个警告信息：
perf找不到待分析进程依赖库时，不会打印出函数名称，只会显示16进制格式的函数地址。
如果应用程序在编译发布时，使用strip删除ELF二进制文件的符号表，perf也只能显示函数地址。
5、perf report
perf report [options]
-i filename：指定输入文件，默认为perf.data
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