程序员必备Linux性能分析工具和方法

对 Linux 进行问题排查是后台开发的日常，但却总会遇到“无法稳定复现、问题定位困难、一两天都没缩小问题范围”等等问题。 本文作者整理和总结了 Linux 后台开发常用的分析工具和问题排查思路，主要涉及 CPU 、内存、磁盘和网络四大方面，并归纳为思维导图方便大家记忆和查询。赶紧点赞转发收藏一键三连起来吧！

01、分析工具

Linux 有很多性能分析工具，有些工具具有类似的功能，可以用在同一类指标上，而有些问题需要同时使用多个工具来进行排查。下面这张思维导图总结了一些常用的工具。

（公众号对话框回复关键词0801，获取两张高清思维导图）

02、分析方法

Linux 上的问题排查是后台开发的家常便饭，有时候查个问题不知从何下手，甚至要花费一两天时间，所以能尽快的缩小问题范围和定位问题根源，不给产品大大拖后腿，是所有开发的愿景。

我根据以前的笔记整理了排查问题的思路图，希望能提供一些解决问题的思路。按下图走到叶子节点的时候可能没有想要的解，但也可能帮助缩小了问题范围和获得了相关信息，方便网上查询和咨询他人。图中的意思不是指从 CPU --> 内存 --> 磁盘 --> 网络依次排查，如果能明确的确定哪方面有问题，直接从该问题类型开始往下排查。

下面的内容是对上图进行展开。

03、CPU 使用有问题？

使用 top 等命令查看 CPU 使用率和负载是否过高。

1. 内核空间占了大多数 CPU？ 通过 top 命令查看内核占用 CPU 比例是否过大。
2. 内核处理了很多中断吗？ 使用 procinfo 或 cat /proc/interrupts 查看中断次数和频率，以及造成中断数量较高的设备。
3. 内核的时间花在哪了？ 使用 oprofile 分析哪些内核函数消耗大量时间，并查询这些函数的功能，确定它们处于哪个子系统（内存、网络、磁盘等）并了解可能被调用的原因。如果这些函数是设备特定的，尝试着找出为什么需要使用这种特定的设备（尤其是在1.2中造成高中断的设备），或许就可以判断出哪里出了问题。
4. 用户空间占了大多是 CPU？ 通过 top 命令查看用户态是否占了大量 CPU。
5. 哪个进程占用了大多数 CPU？ 通过 top 命令进程排序列表确定占用大量 CPU 的进程。
6. 进程在内核还是用户空间花费了时间？ 使用 time 命令查看进程在内核和用户空间花费的时间，这里不一定非得任意一方非得占大多数时间。如进程在内核占用超过25%以上的时间，说明内核也排查是重点。
7. 进程在哪些系统调用上花费了较多时间？ 使用 strace/oprofile 查看进程调用了哪些系统调用和找出主要耗时时长的系统调用，通过减少系统调用次数或者更改性能更好的系统调用来提升性能。
8. 进程在哪些函数上花费了时间？ 使用 ltrace/oprofile 确定哪些函数消耗了大多数时间。如果函数调用次数过多，则检查是否存在不必要的调用次数，如 for 循环判断条件里不断调用某个函数或者 debug 日志里调某个函数得到一个字符串序列。如果单次调用就已经很耗时，使用 oprofile/cachegrind 分析函数是否存在热点代码大量 cache 缺失，通过调整数据结构或调整代码提高热点代码 cache 命中。

04、内存使用有问题？

通过 top/vmstat/procinfo 等确定内存使用是否过高，内存交换空间不断增加。

1. 内核使用内存在增加？ 使用 slabtop 查看内核使用内存是否增加或者使用量过大。
2. 内核使用的内存类型是什么？ 使用 slabtop 排序内核使用内存情况，找出使用内存较大的对象名字。通过搜索或查询相关分配对象名字（如 inode_cache），确定它用于哪些文件或属于哪个子系统，就有可能弄清楚内存分配的原因。
3. 进程使用内存在增加？ 使用 top/ps 按内存使用量排序并观察 rss 等字段看进程使用物理内存是否增加。
   1. 进程使‍用的内存类型是什么？ 通过 /proc/<pid>/status 查看内存使用情况。如 VmExe 值很大，则说明可执行文件本身很大，需要确定哪些函数文本比较大。VmLib 很大，则说明应用程序使用了大量或者体积比较大的共享库，需要确定哪些库导致了 VmLib 很大。VmData 较大并在增加，说明进程的数据区或堆在增加。
   2. 哪些函数使用大量的栈空间？ 使用 gdb attach 进程，根据调用栈信息计算当前栈指针和前一个栈指针的差值，这个差值即为函数的栈容量，找到栈容量比较大的函数。
   3. 哪些函数分配大量的堆内存？ 使用memprof找到哪些函数分配了堆内存并观察哪些进程的堆内存在增加，确定是否存在不合理的分配或者内存泄漏问题。
   4. 哪些库比较大？ 通过 /proc/<pid>/maps 查看进程使用了哪些共享库和以及这些库的大小，对于太大的共享库是否可能替换成大小更小的版本。或者某个库已经被其他进程加载到内存使用，只是版本不同，则可以改成共用一个版本。
   5. 哪些函数文本较大？ 如果进程的可执行文件本身比较大，加载到内存后会占用更多的空间。可以通过 nm 命令排序符号大小，找出文本段较大的函数看是否可以删除或者减小其大小。
   6. 共享内存使用量在增加？ 使用 ipcs 查看共享内存信息，是否存在过大或者共享内存数量不断增加。
   7. 哪个进程在使用共享内存？ 使用 ipcs -p 查看哪些进程创建和使用了共享内存。对于共享内存过大问题，可以查看其程序代码看分配是否合理。对于共享内存数不断增加，是否存在创建后未删除等问题。

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05、磁盘 I/O 使用有问题？

运行 iostat，查看 await 平均等待时间，await 越高则说明磁盘负荷越大。

1. 哪个进程访问了磁盘？ 通过 iotop 找到产生大量 IO 的进程。
2. 进程访问了哪些文件？ 通过 strace 跟踪高 IO 进程与文件操作相关的系统调用，查看其调用详情和耗时时长，找到耗时长的读写操作。并通过其操作的文件描述符 fd 映射回磁盘上的文件，了解为什么需要读写这些文件，进而查看是否可以优化。

06、网络 I/O 使用有问题？

使用 ethool 查看网卡的最大流量限制 ，并通过 iptraf 查看流经端口的流量是否饱和。

1. 网络设备产生了大量错误？ 使用 ifconfig/ip 命令查看网络接口是否产生大量错误，如果是可能是硬件配置的有问题，联系网管帮忙排查解决。
2. 网络设备存流量类型是什么？ 使用 iptraf 查看流量类型（协议/端口号）。
3. 是否有进程处理该类型的流量？ 使用 netstat 查看是否有进程在流经该网络端口的流量。
4. 哪个远程系统发送了流量？ 如果没有指定进程在处理这个流量，可能来自网络上其他系统的流量攻击。可使用 etherape/wireshark 尝试跟踪或者找网管咨询。
5. 哪个套接字在处理流量？ 在确定了处理流量的进程后，使用 strace/lsof 找到是哪个套接字产生了这些通信流量。