Linux系统优化思路-理论篇

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Linux操作系统是一个开源产品，也是一个开源软件的实践和应用平台，在这个平台下有无数的开源软件支撑，我们常见的apache、tomcat、mysql、php等等，开源软件的最大理念是自由、开放，那么linux作为一个开源平台，最终要实现的是通过这些开源软件的支持，以最低廉的成本，达到应用最优的性能。因此，谈到性能问题，主要实现的是linux操作系统和应用程序的最佳结合。

系统的性能是指操作系统完成任务的有效性、稳定性和响应速度。Linux系统管理员可能经常会遇到系统不稳定、响应速度慢等问题，例如在linux上搭建了一个web服务，经常出现网页无法打开、打开速度慢等现象，而遇到这些问题，就有人会抱怨linux系统不好，其实这些都是表面现象。操作系统完成一个任务时，与系统自身设置、网络拓朴结构、路由设备、路由策略、接入设备、物理线路等多个方面都密切相关，任何一个环节出现问题，都会影响整个系统的性能。因此当linux应用出现问题时，应当从应用程序、操作系统、服务器硬件、网络环境等方面综合排查，定位问题出现在哪个部分，然后集中解决。
在应用程序、操作系统、服务器硬件、网络环境等方面，影响性能最大的是应用程序和操作系统两个方面，因为这两个方面出现的问题不易察觉，隐蔽性很强。而硬件、网络方面只要出现问题，一般都能马上定位。本章主要讲解操作系统方面的性能调优思路，应用程序方面需要具体问题具体对待。
 
解决系统性能问题的一般思路
下面从影响操作系统性能的因素、性能优化工具、系统性能评价标准三个方面介绍优化Linux的一般思路和方法。
 
影响Linux性能的因素
1．CPU
CPU是操作系统稳定运行的根本，CPU的速度与性能很大一部分决定了系统整体的性能，因此，cpu数量越多、主频越高，服务器性能也就相对越好。但事实也并非完全如此。
目前大部分CPU在同一时间内只能运行一个线程，超线程的处理器可以在同一时间运行多个线程，因而，可以利用处理器的超线程特性提高系统性能，在linux系统下，只有运行SMP内核才能支持超线程，但是，安装的CPU数量越多，从超线程获得的性能上的提高就越少。另外，Linux内核会把多核的处理器当作多个单独的CPU来识别，例如两颗4核的CPU，在linux系统下会认到8颗CPU。但是从性能角度来讲，两颗4核的CPU和8颗单核的CPU并不完全等价，根据权威部门得出的测试结论，前者的整体性能要低于后者25％-30％。
可能出现CPU瓶颈的应用有邮件服务器、动态web服务器等，对于这类应用要把CPU的配置和性能放在主要位置。
2．内存
内存的大小也是影响linux性能的一个重要的因素，内存太小，系统进程将被阻塞，应用也将变得缓慢，甚至失去响应，内存太大，导致资源浪费。Linux系统采用了物理内存和虚拟内存的概念，虚拟内存虽然可以缓解物理内存的不足，但是占用过多的虚拟内存，应用程序的性能将明显下降，要保证应用程序的高性能运行，物理内存一定要足够大，但是过大的物理内存，会造成内存资源浪费，例如在一个32位处理器的Linux操作系统上，超过8G的物理内存都将被浪费。因此，要使用更大的内存，建议安装64位的操作系统，同时开启linux的大内存内核支持。
由于处理器寻址范围的限制，在32位linux操作系统上，应用程序单个进程最大只能使用2G的内存，这样以来，即使系统有更大的内存，应用程序也无法“享”用，解决的办法就是使用64为处理器，安装64位操作系统，在64位操作系统下，可以满足所有应用程序对内存的使用需求[g1] ，几乎没有限制。
可能出现内存性能瓶颈的应用有打印服务器、数据库服务器、静态web服务器等，对于这类应用要把内存大小放在主要位置。
3．磁盘I/O宽带
磁盘的I/O性能直接影响应用程序的性能，在一个有频繁读写的应用中，如果磁盘I/O性能得不到满足，就会导致应用的停滞。好在现今的磁盘都采用了很多方法来提高I/O性能，比如常见的磁盘RAID技术。
      RAID的英文全称为：Redundant Array of Independent Disks。翻译成中文即为独立磁盘冗余阵列，简称磁盘阵列。RAID通过把多块独立的磁盘（物理硬盘）按不同方式组合起来形成一个磁盘组（逻辑硬盘），从而提供比单个硬盘更高的I/O性能和数据冗余。
通过RAID技术组成的磁盘组，就相当于一个大硬盘，用户可以对它进行分区格式化、建立文件系统等操作，跟单个物理硬盘一模一样，唯一不同的是RAID磁盘组的I/O性能比单个硬盘要高很多，同时对数据的安全性也有很大提升。
根据磁盘组合方式的不同，RAID可以分为RAID0，RAID1、RAID2、RAID3、RAID4、RAID5、RAID6、RAID7、RAID0+1、RAID10等级别，常用的RAID级别有RAID0、RAID1、RAID5、RAID0+1，这里简单介绍如下：
l RAID 0：通过把多块硬盘粘合成一个容量更大的硬盘组，提高了磁盘的性能和吞吐量。这种方式成本低，要求至少两个磁盘，但是没有容错和数据修复功能，因而只能用在对数据安全性要求不高的环境中。
l RAID 1：也就是磁盘镜像，通过把一个磁盘的数据镜像到另一个磁盘上，最大限度的保证磁盘数据的可靠性和可修复性，具有很高的数据冗余能力，但磁盘利用率只有50%，因而，成本最高，多用在保存重要数据的场合。
l RAID5：采用了磁盘分段加奇偶校验技术，从而提高了系统可靠性，RAID5读出效率很高，写入效率一般，至少需要3块盘。允许一块磁盘故障，而不影响数据的可用性。
l RAID0+1：把RAID0和RAID1技术结合起来就成了RAID0+1，至少需要4个硬盘。此种方式的数据除分布在多个盘上外，每个盘都有其镜像盘，提供全冗余能力，同时允许一个磁盘故障，而不影响数据可用性，并具有快速读/写能力。
通过对各个RAID级别的介绍，我们就可以根据应用的不同特性，选择适合自身的RAID级别，从而保证应用程序在磁盘方面达到最优的性能。
4．网络I/O宽带
Linux下的各种应用，一般都是基于网络的，因此网络带宽也是影响性能的一个重要因素，低速的、不稳定的网络将导致网络应用程序的访问阻塞，而稳定、高速的带宽，可以保证应用程序在网络上畅通无阻的运行。幸运的是，现在的网络一般都是千兆带宽，或者光纤网络，带宽问题对应用程序性能造成的影响也在逐步降低。
5．总结
通过对以上四个方面的讲述，不难看出，每个方面之间都是相互依赖的，不能孤立的从某个方面来排查问题，当一个方面出现性能问题时，往往会引发其它方面出现问题。例如大量的磁盘读写势必消耗CPU和I/O资源，而内存的不足会导致频繁的进行内存页写入磁盘、磁盘写到内存的操作，造成磁盘I/O瓶颈，同时，大量的网络流量也会造成CPU过载。所以，在处理性能问题时，要纵观全局，从各个方面进行综合考虑。