Golang性能诊断

1 简介

我们日常接触性能诊断问题；

一般分为两种情况:

一是线上应用真的出现性能问题、

二是我们需要对准备上线的系统进行性能预估，需要压力测试辅助进行。

针对Go应用，性能诊断工具主要分为两层:

OS层面

Go应用层面(go tool pprof / trace /gc)

2 OS诊断

系统诊断，我们一般关注三个方面: CPU, Memory, I/O。

2.1 CPU

CPU诊断主要关注平均负载(Load Average), CPU使用率，上下文切换(Context Switch), 常用的top命令查看cpu使用率以及服务器负载情况。

平均负载:0.14 0.07 0.06 分别表示过去1分钟、5分钟、15分钟的机器负载的平均值，根据经验，若负载数值小于0.7*CPU个数则正常，超过或者达到CPU核数的四五倍，则系统的负载就明显偏高。

CPU的上下文切换情况可通过vmstat命令可以查看，上下文切换发生的场景有如下几种:

1. 时间片用完，CPU正常调度下一个任务
2. 被其他优先级更高的任务抢占
3. 执行任务碰到I/O阻塞，挂起当前任务，切换到下一个任务
4. 用户代码主动挂起当前任务让出CPU
5. 多任务抢占资源，因没抢到而被挂起
6. 硬件中断

2.2 Memory

从操作系统角度，内存关注应用进程是否足够，可以使用 free –m 命令查看内存的使用情况。

通过 top 命令可以查看进程使用的虚拟内存 VIRT 和物理内存 RES，根据公式 VIRT = SWAP + RES 可以推算出具体应用使用的交换分区（Swap）情况，使用交换分区过大会影响 应用性能，可以将 swappiness 值调到尽可能小。

2.3 I/O

I/O 包括磁盘 I/O 和网络 I/O，一般情况下磁盘更容易出现 I/O 瓶颈。通过iostat可以查看磁盘的读写情况，通过 CPU 的 I/O wait 可以看出磁盘 I/O 是否正常。

如果磁盘 I/O 一直处于很高的状态，说明磁盘太慢或故障，成为了性能瓶颈，需要进行应用优化或者磁盘更换。

除了常用的 top、 ps、vmstat、iostat 等命令，还有其他 Linux 工具可以诊断系统问题，如 mpstat、tcpdump、netstat、pidstat、sar 等 更多Linux性能诊断工具如下图:

3 Go应用诊断

profile一般被称为性能分析，对程序而言，就是程序运行时的各种概况信息，包括cpu占用情况、内存情况、线程情况等。方便分析昂贵或频繁调用的程序场景。

3.1 profiling

如何使用？

1.首先profiling代码埋入

import _ "net/http/pprof"

func main() {
    go func() {
        log.Println(http.ListenAndServe("0.0.0.0:9090", nil))
    }()
    ...
}

2.保存特定时间点的profile，例如保存heap信息

curl http://localhost:6060/debug/pprof/heap --output heap.tar.gz

3.使用go tool pprof 分析保存的profile快照，如分析上述heap信息

go tool pprof heap.tar.gz

3.2 CPU Profiling

pprof可以帮忙我们分析出函数执行缓慢问题 CPU占用过高问题

go tool pprof http://localhost:6060/debug/pprof/profile?second=10

命令行方式: 常用命令 top list traces

top: 查看按照占用内存或cpu多少排序的前10的函数信息

• flat:当前函数占用的CPU时长（不包含其调用的其他函数）
• flat%:当前函数使用CPU占总CPU时长的百分比
• sum%:前面每一行flat百分比的和
• cum: 累计量，当前函数及其子函数占用CPU时长
• cum%:累计量占总量的百分比

cum>=flat

list: 查看某个函数的代码 以及该函数每行代码的指标信息

traces:打印所有函数调用栈 以及调用栈的指标信息

UI界面方式：从服务器download下生成的sample文件

go tool pprof -http=:8080 pprof.xxx.samples.cpu.001.pb.gz

Flame graph很清晰得可以看到当前CPU被哪些函数执行栈占用

Heap Profiling

go tool pprof http://localhost:6060/debug/pprof/heap?second=10

命令行 UI查看方式 同理

graph中方框越大 占用内存越多 火焰图 宽度越大 占用内存越多

SAMPLE->inuse_objects可以查看当前的对象数量 这个参数对于分析gc线程占用较高cpu时很有用处 它侧重查看对象数量

inuse_space图可以查看具体的内存占用

毕竟对于10个100m的对象和1亿个10字节的对象占用内存几乎一样大，但是回收起来一亿个小对象肯定比10个大对象要慢很多。

go tool pprof -inuse_space http://localhost:6060/debug/pprof/heap : 分析应用程序的常驻内存占用情况 （默认）
go tool pprof -alloc_objects http://localhost:6060/debug/pprof/heap: 分析应用程序的内存临时分配情况

并发请求问题 查看方式跟上面类似。

go tool pprof http://localhost:6060/debug/pprof/goroutine
go tool pprof http://localhost:6060/debug/pprof/block
go tool pprof http://localhost:6060/debug/pprof/mutex

3.3 Tracing

trace并不是万能的，它更侧重于记录分析 采样时间内运行时系统具体干了什么。

收集trace数据的三种方式:

1. 使用runtime/trace包 调用trace.Start()和trace.Stop()

2. 使用go test -trace=<file>测试标识

3. 使用debug/pprof/trace handler 获取运行时系统最好的方法

例如，通过

go tool pprof http://localhost:6060/debug/pprof/trace?seconds=20 > trace.out

获取运行时服务的trace信息，使用

go tool trace trace.out

其中trace view 只能使用chrome浏览器查看，这里go截止1.14版本存在一个 bug，解决办法如下：

go tool trace trace.out 无法查看trace view
go bug:https://github.com/golang/go/issues/25151
mac 解决版本：安装gotip
go get golang.org/dl/gotip
gotip download
then  使用 gotip tool trace trace.out即可

获取的trace.out 二进制文件也可以转化为pprof格式的文件

go tool trace -pprof=TYPE trace.out > TYPE.pprof
Tips:生成的profile文件 支持 network profiling、synchronization profiling、syscall profiling、scheduler profiling
go tool pprof TYPE.pprof

使用gotip tool trace trace.out可以查看到trace view的丰富操作界面：

操作技巧：

ctrl + 1 选择信息

ctrl + 2 移动选区

ctrl + 3 放大选区

ctrl + 4 指定选区区间

shift + ? 帮助信息

AWSD跟游戏快捷键类似 玩起来跟顺手

整体的控制台信息 如下图：

• 时间线: 显示执行的时间单元 根据时间的纬度不同 可以调整区间
• 堆: 显示执行期间内存的分配和释放情况
• 协程(Goroutine): 显示每个时间点哪些Goroutine在运行 哪些goroutine等待调度 ，其包含 GC 等待（GCWaiting）、可运行（Runnable）、运行中（Running）这三种状态。

goroutine区域选中时间区间

• 虚拟处理器Processor: 每个虚拟处理器显示一行，虚拟处理器的数量一般默认为系统内核数。数量由环境变量GOMAXPROCS控制
• 协程和事件: 显示在每个虚拟处理器上有什么 Goroutine 正在运行，而连线行为代表事件关联。

每个Processor分两层，上一层表示Processor上运行的goroutine的信息，下一层表示processor附加的事件比如SysCall 或runtime system events

ctrl+3 放大选区，选中goroutine 可以查看，特定时间点 特定goroutine的执行堆栈信息以及关联的事件信息

点击goroutine的id 可以跳到trace view 详细查看goroutine具体干了什么

实践 一个延迟问题诊断

当我们一个执行关键任务的协程从运行中被阻塞。这里可能的原因：被syscall阻塞 、阻塞在共享内存(channel/mutex etc)、阻塞在运行时(如 GC)、甚至有可能是运行时调度器不工作导致的。这种问题使用pprof很难排查，

使用trace只要我们确定了时间范围就可以在proc区域很容易找到问题的源头

上图可见，GC 的MARK阶段阻塞了主协程的运行

3.4 GC

golang的gc算法是根据标记清除改进的三色标记法，大概流程:

初始所有对象都是白色

1. Stack scan阶段:从root出发扫描所有可达对象，标记为灰色并放入待处理队列；root包括全局指针和goroutine栈上的指针
2. Mark阶段:1.从待处理队列取出灰色对象，将其引用的对象标记为灰色并放入队列，自身标记为黑色 2. re-scan全局指针和栈，因为mark和用户程序并行运行，故过程1的时候可能会有新的对象分配，这时需要通过写屏障(write barrier)记录下来；re-scan再完成检查；
3. 重复步骤Mark阶段，直到灰色对象队列为空，执行清扫工作（白色即为垃圾对象）

go的三色标记法也存在STW(Stop The World),大致有两个场景

1. GC即将开始时，需要STW 做一些准备工作， 如enable write barrier
2. re-scan也需要STW，否则上面Mark阶段的re-scan无法终止

通过GODEBUG=gctrace=1可以开启gc日志，查看gc的结果信息

$ GODEBUG=gctrace=1 go run main.go   
gc 1 @0.001s 19%: 0.014+3.7+0.015 ms clock, 0.11+2.8/5.7/3.2+0.12 ms cpu, 5->6->6 MB, 6 MB goal, 8 P
gc 2 @0.024s 6%: 0.004+3.4+0.010 ms clock, 0.032+1.4/4.5/5.3+0.085 ms cpu, 13->14->13 MB, 14 MB goal, 8 P
gc 3 @0.093s 3%: 0.004+6.1+0.027 ms clock, 0.032+0.19/11/15+0.22 ms cpu, 24->25->22 MB, 26 MB goal, 8 P
scvg: 0 MB released
scvg: inuse: 4, idle: 58, sys: 63, released: 58, consumed: 4 (MB)
scvg: 0 MB released
scvg: inuse: 4, idle: 58, sys: 63, released: 58, consumed: 4 (MB)
scvg: 0 MB released
scvg: inuse: 4, idle: 58, sys: 63, released: 58, consumed: 4 (MB)
scvg: 0 MB released
scvg: inuse: 4, idle: 58, sys: 63, released: 58, consumed: 4 (MB)

格式

gc # @#s #%: #+#+# ms clock, #+#/#/#+# ms cpu, #->#-># MB, # MB goal, # P

含义

gc#：GC 执行次数的编号，每次叠加。

@#s：自程序启动后到当前的具体秒数。

#%：自程序启动以来在GC中花费的时间百分比。

#+...+#：GC 的标记工作共使用的 CPU 时间占总 CPU 时间的百分比。

#->#-># MB：分别表示 GC 启动时, GC 结束时, GC 活动时的堆大小.

#MB goal：下一次触发 GC 的内存占用阈值。

#P：当前使用的处理器 P 的数量。

4 扩展

当我们的程序陷入CPU 和IO混和负载过高时，我们使用pprof profile只能检测出CPU耗时的函数，但是屏蔽了IO等待过长的函数。

https://github.com/felixge/fgprof 给出了一个解决方案：

https://github.com/felixge/fgprof 给出了一个解决方案：neProfile，返回的结果忽略了协程当时消耗CPU还是非消耗CPU的区别 进行统计，保存在内存中的map中，可导出转化为pprof

具体用法：

package main
 
import(
    _ "net/http/pprof"
    "github.com/felixge/fgprof"
)
 
func main() {
    http.DefaultServeMux.Handle("/debug/fgprof", fgprof.Handler())
    go func() {
        log.Println(http.ListenAndServe(":6060", nil))
    }()
 
    // <code to profile>
}
 
git clone https://github.com/brendangregg/FlameGraph
cd FlameGraph
curl -s 'localhost:6060/debug/fgprof?seconds=3' > fgprof.fold
./flamegraph.pl fgprof.fold > fgprof.svg

如果遇到这种CPU消耗型和非CPU消耗型混合的情况下 可以试试排查下。

文章来源于光华路程序猿 ，作者Leo