基于Linux服务器的性能分析与优化
作为一名Linux系统管理员，最主要的工作是优化系统配置，使应用在系统上以最优的状态运行，但硬件问题、软件问题、网络环境等的复杂性和多变性，导致了对系统的优化变得异常复杂，如何定位性能问题出在哪个方面，是性能优化的一大难题。本文从系统入手，重点讲述由于系统软、硬件配置不当造成的性能问题，并且给出了检测系统故障和优化性能的一般方法和流程。
一、系统性能分析的目的
1.1找到系统性能的瓶颈
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。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是与系统自身设置、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的，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。
1.2提供性能优化方案
查找系统性能瓶颈是个复杂而耗时的过程，需要在应用程序、操作系统、服务器硬件、网络环境等方面进行查找和定位，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、网络方面出现的问题，一般都能马上定位。一旦找到了系统性能问题，解决起来就非常迅速和容易，例如发现系统硬件存在问题，如果是物理故障，那么更换硬件就可以了，如果是硬件性能不能满足需求，升级硬件就可以了；如果发现是网络问题，比如带宽不够、网络不稳定，只需优化和升级网络即可；如果发现是应用程序问题，修改或优化软件系统即可；而如果是操作系统配置问题，修改系统参数、修改系统配置即可。 可见，只要找到了性能瓶颈，就可以提供性能优化方案，有标准、有目的地进行系统优化。
1.3使系统硬件和软件资源的使用达到平衡
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，在这个平台下由无数的开源软件支撑，常见的有Apache、Tomcat、MySQL、PHP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，达到应用性能的最优化。但是，系统的性能问题并非是孤立的，解决了一个性能瓶颈，可能会出现另一个性能瓶颈，所以说性能优化的最终目的是：在一定范围内使系统的各项资源使用趋于合理并保持一定的平衡，即系统运行良好的时候恰恰就是系统资源达到了一个平衡状态的时候。而在操作系统中，任何一项资源的过度使用都会破坏这种平衡状态，从而导致系统响应缓慢或者负载过高。例如，CPU资源的过度使用会造成系统中出现大量的等待进程，导致应用程序响应缓慢，而进程的大量增加又会导致系统内存资源的增加，当物理内存耗尽时，系统就会使用虚拟内存，而虚拟内存的使用又会造成磁盘I/O的增加并加大CPU的开销。因此,系统性能的优化就是在硬件、操作系统、应用软件之间找到一个平衡点。
二、分析系统性能涉及的人员
2.1 Linux系统管理人员
在做性能优化过程中，系统管理人员承担着很重要的任务，首先，系统管理人员要了解和掌握操作系统的当前运行状态，例如系统负载、内存状态、进程状态、CPU负荷等信息，这些信息是检测和判断系统性能的基础和依据；其次，系统管理人员还有掌握系统的硬件信息，例如磁盘I/O、CPU型号、内存大小、网卡带宽等参数信息，然后根据这些信息综合评估系统资源的使用情况；第三，作为一名系统管理人员，还要掌握应用程序对系统资源的使用情况，更深入的一点就是要了解应用程序的运行效率，例如是否有程序BUG、内存溢出等问题，通过对系统资源的监控，就能发现应用程序是否存在异常，如果确实是应用程序存在问题，需要把问题立刻反映给程序开发人员，进而改进或升级程序。 性能优化本身就是一个复杂和繁琐的过程，系统管理人员只有了解了系统硬件信息、网络信息、操作系统配置信息和应用程序信息才能有针对性地的展开对服务器性能优化，这就要求系统管理员有充足的理论知识、丰富的实战经验以及缜密分析问题的头脑。
2.2 系统架构设计人员
系统性能优化涉及的第二类人员就是应用程序的架构设计人员。如果系统管理人员在经过综合判断后，发现影响性能的是应用程序的执行效率，那么程序架构设计人员就要及时介入，深入了解程序运行状态。首先，系统架构设计人员要跟踪了解程序的执行效率，如果执行效率存在问题，要找出哪里出现了问题；其次，如果真的是架构设计出现了问题，那么就要马上优化或改进系统架构，设计更好的应用系统架构。
2.3 软件开发人员
系统性能优化最后一个环节涉及的是程序开发人员，在系统管理员或架构设计人员找到程序或结构瓶颈后，程序开发人员要马上介入进行相应的程序修改。修改程序要以程序的执行效率为基准，改进程序的逻辑，有针对性地进行代码优化。例如，系统管理人员在系统中发现有条SQL语句耗费大量的系统资源，抓取这条执行的SQL语句，发现此SQL语句的执行效率太差，是开发人员编写的代码执行效率低造成的，这就需要把这个信息反馈给开发人员，开发人员在收到这个问题后，可以有针对性的进行SQL优化，进而实现程序代码的优化。 从上面这个过程可以看出，系统性能优化一般遵循的流程是：首先系统管理人员查看系统的整体状况，主要从系统硬件、网络设备、操作系统配置、应用程序架构和程序代码五个方面进行综合判断，如果发现是系统硬件、网络设备或者操作系统配置问题，系统管理员可以根据情况自主解决；如果发现是程序结构问题，就需要提交给程序架构设计人员；如果发现是程序代码执行问题，就交给开发人员进行代码优化。这样就完成了一个系统性能优化的过程。
三、影响Linux性能的各种因素
3.1 系统硬件资源
1．CPU
CPU是操作系统稳定运行的根本，CPU的速度与性能在很大程度上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，因此，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方面的提高就越少。另外，Linux内核会把多核的处理器当作多个单独的CPU来识别，例如两个4核的CPU，在Lnux系统下会被当作8个单核CPU。但是从性能角度来讲，两个4核的CPU和8个单核的CPU并不完全等价，根据权威部门得出的测试结论，前者的整体性能要比后者低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两种方式，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8GB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2GB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位处理器，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，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性能 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：RedundantArrayofIndependentDisk，即独立磁盘冗余阵列，简称磁盘阵列。RAID通过将多块独立的磁盘（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，同时在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，这里进行简单介绍。
RAID0：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。
RAID1：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，最大限度地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。
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。
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。 通过了解各个RAID级别的性能，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性能。
4．网络宽带
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、高速的网络带宽，可以保证应用程序在网络上畅通无阻地运行。幸运的是，现在的网络一般都是千兆带宽或光纤网络，带宽问题对应用程序性能造成的影响也在逐步降低。
3.2 操作系统相关资源
基于操作系统的性能优化也是多方面的，可以从系统安装、系统内核参数、网络参数、文件系统等几个方面进行衡量，下面依次进行简单介绍。
1．系统安装优化
系统优化可以从安装操作系统开始，当安装Linux系统时，磁盘的划分，SWAP内存的分配都直接影响以后系统的运行性能，例如，磁盘分配可以遵循应用的需求：对于对写操作频繁而对数据安全性要求不高的应用，可以把磁盘做成RAID0；而对于对数据安全性较高，对读写没有特别要求的应用，可以把磁盘做成RAID1；对于对读操作要求较高，而对写操作无特殊要求，并要保证数据安全性的应用，可以选择RAID5；对于对读写要求都很高，并且对数据安全性要求也很高的应用，可以选择RAID01。这样通过不同的应用需求设置不同的RAID级别，在磁盘底层对系统进行优化操作。
随着内存价格的降低和内存容量的日益增大，对虚拟内存SWAP的设定，现在已经没有了所谓虚拟内存是物理内存两倍的要求，但是SWAP的设定还是不能忽略，根据经验，如果内存较小（物理内存小于4GB），一般设置SWAP交换分区大小为内存的2倍；如果物理内存大于4GB小于16GB，可以设置SWAP大小等于或略小于物理内存即可；如果内存大小在16GB以上，原则上可以设置SWAP为0，但并不建议这么做，因为设置一定大小的SWAP还是有一定作用的。
2．内核参数优化
系统安装完成后，优化工作并没有结束，接下来还可以对系统内核参数进行优化，不过内核参数的优化要和系统中部署的应用结合起来整体考虑。例如，如果系统部署的是Oracle数据库应用，那么就需要对系统共享内存段（kernel.shmmax、kernel.shmmni、kernel.shmall）、系统信号量（kernel.sem）、文件句柄（fs.file-max）等参数进行优化设置；如果部署的是Web应用，那么就需要根据Web应用特性进行网络参数的优化，例如修改net.ipv4.ip_local_port_range、net.ipv4.tcp_tw_reuse、net.core.somaxconn等网络内核参数。
3．文件系统优化
文件系统的优化也是系统资源优化的一个重点，在Linux下可选的文件系统有ext2、ext3、xfs、ReiserFS，根据不同的应用，选择不同的文件系统。
Linux标准文件系统是从VFS开始的，然后是ext，接着就是ext2，应该说，ext2是Linux上标准的文件系统，ext3是在ext2基础上增加日志形成的，从VFS到ext3，其设计思想没有太大变化，都是早期UNIX家族基于超级块和inode的设计理念。
XFS文件系统是SGI开发的一个高级日志文件系统，后来移植到了Linux系统下，XFS通过分布处理磁盘请求、定位数据、保持Cache的一致性来提供对文件系统数据的低延迟、高带宽的访问，因此，XFS极具伸缩性，非常健壮，具有优秀的日志记录功能、可扩展性强、快速写入性能等优点。 ReiserFS是在HansReiser领导下开发出来的一款高性能的日志文件系统，它通过完全平衡树结构来管理数据，包括文件数据，文件名及日志支持等，与ext2/ext3相比，最大的优点是访问性能和安全性大幅提升。ReiserFS具有高效、合理利用磁盘空间，先进的日志管理机制，特有的搜寻方式，海量磁盘存储等优点。
3.3 应用程序软件资源
应用程序的优化其实是整个优化工程的核心，如果一个应用程序存在BUG，那么即使所有其他方面都达到了最优状态，整个应用系统还是性能低下，所以，对应用程序的优化是性能优化过程的重中之重，这就对程序架构设计人员和程序开发人员提出了更高的要求。