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# 11 | 打开首页之一:一个案例,带你搞懂基础硬件设施的性能问题
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你好,我是高楼。
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这节课我要带你来看一个完整的性能分析案例的第一部分,用打开首页接口做压力场景,来分析下性能问题。通过这个案例,你将看到各种基础硬件设施层面的性能问题,比如由虚机超分导致的性能问题、CPU运行模式下的性能问题、IO高、硬件资源耗尽但TPS很低的问题等等。
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如果你是从零开始做一个完整的项目,那么这些问题很可能是你首先要去面对的。并且,把它们解决好,是性能分析人员必备的一种能力。同时,你还会看到针对不同计数器采集的数据,我们的分析链路是不同的,而这个分析链路就是我一直强调的证据链,如果你不清楚可以再回顾一下[第3讲](https://time.geekbang.org/column/article/355982)。
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通过这节课,我希望你能明白,有些性能问题其实并没有那么单一,而且不管性能问题出在哪里,我们都必须去处理。
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好,不啰嗦了,下面我们就把打开首页接口的性能瓶颈仔细扒一扒。
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## 看架构图
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在每次分析性能瓶颈之前,我都会画这样一张图,看看这个接口会涉及到哪些服务和技术组件,这对我们后续的性能分析会有很大的帮助。
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![](https://static001.geekbang.org/resource/image/69/8d/6913fb342aa32fae5b46c6f1ecddc58d.png)
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如果你有工具可以直接展示,那就更好了。如果没有,那我建议你不要自信地认为自己可以记住一个简单的架构。相信我,哪怕是在纸上简单画一画,都会对你后面的分析思路有很大的帮助。
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回到上面这张图,我们可以清楚地看到这个打开首页的逻辑是:User - Gateway(Redis)- Portal - (Redis,MySQL)。
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## 顺便看下代码逻辑
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在做打开首页的基准场景之前,我建议你先看一眼这个接口的代码实现逻辑,从代码中可以看到这个接口在做哪些动作。根据这些动作,我们可以分析它们的后续链路。
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这个代码的逻辑很简单,就是列出首页上的各种信息,然后返回一个JSON。
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```
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public HomeContentResult contentnew() {
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HomeContentResult result = new HomeContentResult();
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if (redisService.get("HomeContent") == null) {
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//首页广告
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result.setAdvertiseList(getHomeAdvertiseList());
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//品牌推荐
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result.setBrandList(homeDao.getRecommendBrandList(0, 6));
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//秒杀信息
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result.setHomeFlashPromotion(getHomeFlashPromotion());
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//新品推荐
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result.setNewProductList(homeDao.getNewProductList(0, 4));
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//人气推荐
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result.setHotProductList(homeDao.getHotProductList(0, 4));
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//专题推荐
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result.setSubjectList(homeDao.getRecommendSubjectList(0, 4));
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redisService.set("HomeContent", result);
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}
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Object homeContent = redisService.get("HomeContent");
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// result = JSON.parseObject(homeContent.toString(), HomeContentResult.class);
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result = JSONUtil.toBean(JSONUtil.toJsonPrettyStr(homeContent), HomeContentResult.class);
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return result;
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}
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```
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我们可以看到,这里面一共调用了6个方法,并且这些方法都是直接到数据库里做了查询,如此而已。
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## 确定压力数据
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了解完代码逻辑后,我们上10个线程试运行一下,看看在一个个线程递增的过程中,TPS会有什么样的趋势。
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运行之后,我们得到这样的结果:
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![](https://static001.geekbang.org/resource/image/87/0f/876yya208a923dd9c42fe9538063b10f.png)
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从结果来看,在一开始,一个线程会产生40左右的TPS。这里我们就要思考一下了:**如果想要执行一个场景,****并且这个场景****可以压出打开首页接口的最大TPS,****我们****应该****怎么****设置压力工具中的线程数、递增策略****和****持续执行策略呢?**
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对此,我们先看看Portal应用节点所在机器的硬件使用情况,了解一下TPS趋势和资源使用率之间的关系。这个机器的情况如下图所示(注意,我跳过了Gateway所在的节点):
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![](https://static001.geekbang.org/resource/image/d9/67/d991a5548f72d6f7bcf0257c40da6b67.png)
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可以看到,当前Portal节点所在的机器是8C16G(虚拟机),并且这个机器基本上没什么压力。
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现在我们先不计算其他资源,只考虑8C16G的配置情况。如果TPS是线性增长的话,那么当该机器的CPU使用率达到 100%的时候,TPS大概就是800左右。因此,我们压力工具中的线程数应该设置为:
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$$ 线程数 = 800 TPS \\div 40 TPS = 20 个线程$$
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不过,在压力持续的过程中,TPS和资源使用率之间的等比关系应该是做不到的。因为在压力过程中,各种资源的消耗都会增加一些响应时间,这些也都属于正常的响应时间损耗。
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在确定了压力工具的线程数之后,我们再来看递增策略怎么设置。
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我希望递增时间可以增加得慢一些,以便于我们查看各环节性能数据的反应。根据[第2讲](https://time.geekbang.org/column/article/355019)中的性能分析决策树,在这样的场景中,我们有不少计数器需要分析查看,所以我设置为30秒上一个线程,也就是说递增周期为600秒。
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在确定好压力参数后,我们的试运行场景就可以在JMeter中设置为如下值:
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```
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<stringProp name="ThreadGroup.num_threads">20</stringProp>
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<stringProp name="ThreadGroup.ramp_time">600</stringProp>
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<boolProp name="ThreadGroup.scheduler">true</boolProp>
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<stringProp name="ThreadGroup.duration">700</stringProp>
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```
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设置好试运行参数后,我们就可以在这样的场景下进一步设置足够的线程来运行,以达到资源使用率的最大化。
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你可能会疑惑:难道不用更高的线程了吗?如果你想做一个正常的场景,那确实不需要用更高的线程了;如果你就是想知道压力线程加多了是什么样子,那你可以试试。我在性能场景执行时,也经常用各种方式压着玩。
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不过,话说回来,确实有一种情况需要我们正儿八经地增加更多的压力,那就是你的响应时间已经增加了,可是增加得又不多,TPS也不再上升。这时候,我们拆分响应时间是比较困难的,特别是当一些系统很快的时候,响应时间可能只是几个毫秒之间。所以,在这种情况下,我们需要多增加一些线程,让响应时间慢的地方更清晰地表现出来,这样也就更容易拆分时间。
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通过压力场景的递增设置(前面算的是只需要20个线程即可达到最大值,而这里,我把压力线程设置为100启动场景,目的是为了看到递增到更大压力时的TPS趋势以及响应时间的增加,这样更容易做时间的拆分),我们看到这个接口的响应时间确实在慢慢增加,并且随着线程数的增加,响应时间很快就上升到了几百毫秒。这是一个明显的瓶颈,我们自然是不能接受的。
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![](https://static001.geekbang.org/resource/image/b5/b9/b51a9979095ba9bd963e657b96fyy0b9.png)
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接下来,我们就要好好分析一下这个响应时间究竟消耗到了哪里。
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## 拆分时间
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我们前面提到,打开首页的逻辑是:User - Gateway(Redis)- Portal - (Redis,MySQL),那我们就按照这个逻辑,借助链路监控工具SkyWalking把响应时间具体拆分一下。
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![](https://static001.geekbang.org/resource/image/1d/99/1d3b42340dd5dfdda16bdf1332d34c99.png)
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* **User —Gateway之间的时间消耗**
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![](https://static001.geekbang.org/resource/image/bd/b9/bd8117bdc6124d95893b16c7653be7b9.png)
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我们看到,User - Gateway之间的时间消耗慢慢上升到了150毫秒左右。
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* **Gateway响应时间**
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![](https://static001.geekbang.org/resource/image/73/37/733a7e7f13ea455826aee0bbb2393237.png)
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gateway上也消耗了150毫秒,这就说明user到gateway之间的网络并没有多少时间消耗,在毫秒级。
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* **Gateway —Portal之间的时间消耗**
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![](https://static001.geekbang.org/resource/image/f9/fe/f9ac563b64d7a1c6e923d8222fdfyyfe.png)
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在Portal上,响应时间只消耗了50毫秒左右。我们再到Portal上看一眼。
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* **Portal响应时间**
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![](https://static001.geekbang.org/resource/image/72/49/721ae8d7ef027fdc56dd05860cafa849.png)
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Portal的响应时间是50毫秒左右,和我们上面看到的时间一致。
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通过上述对响应时间的拆分,我们可以确定是Gateway消耗了响应时间,并且这个时间达到了近100毫秒。所以,我们下一步定位的目标就是Gateway了。
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## 定位Gateway上的响应时间消耗
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#### 第一阶段:分析st cpu
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既然Gateway上的响应时间消耗很高,我们自然就要查一下这台主机把时间消耗在了哪里。
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我们的分析逻辑仍然是**先看全局监控,后看定向监控**。全局监控要从整个架构开始看起,然后再确定某个节点上的资源消耗。注意,在看全局监控时,我们要从最基础的查起,而分析的过程中最基础的就是操作系统了。
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通过top命令,我们可以看到Gateway节点上的资源情况,具体如下:
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![](https://static001.geekbang.org/resource/image/c5/f5/c5af9b566db8bdeb7fc8d6ea448aa2f5.png)
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其中,st cpu达到了15%左右。我们知道,st cpu是指虚拟机被宿主机上的其他应用或虚拟机抢走的CPU,它的值这么高显然是不太正常的。所以,我们要进一步查看st cpu异常的原因。
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我们用mpstat命令先来看看宿主机(运行Gateway的虚拟机所在的物理机)上的资源表现:
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![](https://static001.geekbang.org/resource/image/f4/90/f40e7c2f2a790b289b6d2332dbc47390.png)
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可以看到,CPU还有20%没有用完,说明宿主机还有空间。不过,宿主机的CPU使用率已经不小了,而消耗这些宿主机的就只有虚拟机里的应用。所以,我们要查一下是不是某个虚拟机的CPU消耗特别高。宿主机上的KVM列表如下:
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```
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[root@dell-server-3 ~]# virsh list --all
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Id 名称 状态
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----------------------------------------------------
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12 vm-jmeter running
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13 vm-k8s-worker-8 running
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14 vm-k8s-worker-7 running
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15 vm-k8s-worker-9 running
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||
[root@dell-server-3 ~]#
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```
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可以看到,在这个宿主机上跑了四个虚拟机,那我们就具体看一下这四个虚拟机的资源消耗情况。
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* **vm-jmeter**
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```
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top - 23:42:49 up 28 days, 8:14, 6 users, load average: 0.61, 0.48, 0.38
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%Cpu1 : 6.5 us, 1.8 sy, 0.0 ni, 88.2 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.4 si, 3.2 st
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KiB Mem : 3880180 total, 920804 free, 1506128 used, 1453248 buff/cache
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7157 root 20 0 3699292 781204 17584 S 27.8 20.1 1:09.44 java
|
||
9 root 20 0 0 0 0 S 0.3 0.0 30:25.77 rcu_sched
|
||
376 root 20 0 0 0 0 S 0.3 0.0 16:40.44 xfsaild/dm-
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||
```
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||
* **vm-k8s-worker-8**
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```
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%Cpu3 : 31.2 us, 5.6 sy, 0.0 ni, 47.6 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 4.5 si, 11.2 st
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%Cpu4 : 25.6 us, 4.3 sy, 0.0 ni, 52.7 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 3.6 si, 13.7 st
|
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```
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* **vm-k8s-worker-7**
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```
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|
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|
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```
|
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|
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* **vm-k8s-worker-9**
|
||
|
||
```
|
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|
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%Cpu5 : 17.5 us, 5.8 sy, 0.0 ni, 50.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 10.6 si, 16.1 st
|
||
%Cpu6 : 22.0 us, 6.6 sy, 0.0 ni, 45.1 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 11.0 si, 15.4 st
|
||
%Cpu7 : 19.2 us, 8.0 sy, 0.0 ni, 44.9 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 9.8 si, 18.1 st
|
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|
||
KiB Swap: 0 total, 0 free, 0 used. 8736000 avail Mem
|
||
|
||
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
|
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1114 root 20 0 1285500 108664 30112 S 11.1 0.7 826:56.51 dockerd
|
||
29 root 20 0 0 0 0 S 8.9 0.0 32:09.89 ksoftirqd/4
|
||
6 root 20 0 0 0 0 S 8.2 0.0 41:28.14 ksoftirqd/0
|
||
24 root 20 0 0 0 0 R 8.2 0.0 41:00.46 ksoftirqd/3
|
||
39 root 20 0 0 0 0 R 8.2 0.0 41:08.18 ksoftirqd/6
|
||
19 root 20 0 0 0 0 S 7.9 0.0 39:10.22 ksoftirqd/2
|
||
14 root 20 0 0 0 0 S 6.2 0.0 40:58.25 ksoftirqd/1
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||
```
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||
很显然,worker-9的si(中断使用的CPU)和st(被偷走的CPU)都不算低。那这种情况就比较奇怪了,虚拟机本身都没有很高的CPU使用率,为什么st还这么高呢?难道CPU只能用到这种程度?
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来,我们接着查下去。
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#### 第二阶段:查看物理机CPU运行模式
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在这个阶段,我们要查一下服务里有没有阻塞。就像前面提到的,我们要从全局监控的角度,来考虑所查看的性能分析计数器是不是完整,以免出现判断上的偏差。不过,我去查看了线程栈的具体内容,看到线程栈中并没有Blocked啥的,那我们就只能再回到物理机的配置里看了。
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那对于物理机CPU,我们还有什么可看的呢?即使你盖上被子蒙着头想很久,从下到上把所有的逻辑都理一遍,也找不出什么地方会有阻塞。那我们就只有看宿主机的CPU运行模式了。
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```
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-- 物理机器1
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||
[root@hp-server ~]# cpupower frequency-info
|
||
analyzing CPU 0:
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||
driver: pcc-cpufreq
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||
CPUs which run at the same hardware frequency: 0
|
||
CPUs which need to have their frequency coordinated by software: 0
|
||
maximum transition latency: Cannot determine or is not supported.
|
||
hardware limits: 1.20 GHz - 2.10 GHz
|
||
available cpufreq governors: conservative userspace powersave ondemand performance
|
||
current policy: frequency should be within 1.20 GHz and 2.10 GHz.
|
||
The governor "conservative" may decide which speed to use
|
||
within this range.
|
||
current CPU frequency: 1.55 GHz (asserted by call to hardware)
|
||
boost state support:
|
||
Supported: yes
|
||
Active: yes
|
||
|
||
-- 物理机器2
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||
[root@dell-server-2 ~]# cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor
|
||
powersave
|
||
[root@dell-server-2 ~]# cpupower frequency-info
|
||
analyzing CPU 0:
|
||
driver: intel_pstate
|
||
CPUs which run at the same hardware frequency: 0
|
||
CPUs which need to have their frequency coordinated by software: 0
|
||
maximum transition latency: Cannot determine or is not supported.
|
||
hardware limits: 1.20 GHz - 2.20 GHz
|
||
available cpufreq governors: performance powersave
|
||
current policy: frequency should be within 1.20 GHz and 2.20 GHz.
|
||
The governor "powersave" may decide which speed to use
|
||
within this range.
|
||
current CPU frequency: 2.20 GHz (asserted by call to hardware)
|
||
boost state support:
|
||
Supported: no
|
||
Active: no
|
||
2200 MHz max turbo 4 active cores
|
||
2200 MHz max turbo 3 active cores
|
||
2200 MHz max turbo 2 active cores
|
||
2200 MHz max turbo 1 active cores
|
||
|
||
-- 物理机器3
|
||
[root@dell-server-3 ~]# cpupower frequency-info
|
||
analyzing CPU 0:
|
||
driver: intel_pstate
|
||
CPUs which run at the same hardware frequency: 0
|
||
CPUs which need to have their frequency coordinated by software: 0
|
||
maximum transition latency: Cannot determine or is not supported.
|
||
hardware limits: 1.20 GHz - 2.20 GHz
|
||
available cpufreq governors: performance powersave
|
||
current policy: frequency should be within 1.20 GHz and 2.20 GHz.
|
||
The governor "powersave" may decide which speed to use
|
||
within this range.
|
||
current CPU frequency: 2.20 GHz (asserted by call to hardware)
|
||
boost state support:
|
||
Supported: no
|
||
Active: no
|
||
2200 MHz max turbo 4 active cores
|
||
2200 MHz max turbo 3 active cores
|
||
2200 MHz max turbo 2 active cores
|
||
2200 MHz max turbo 1 active cores
|
||
|
||
-- 物理机器4
|
||
[root@lenvo-nfs-server ~]# cpupower frequency-info
|
||
analyzing CPU 0:
|
||
driver: acpi-cpufreq
|
||
CPUs which run at the same hardware frequency: 0
|
||
CPUs which need to have their frequency coordinated by software: 0
|
||
maximum transition latency: 10.0 us
|
||
hardware limits: 2.00 GHz - 2.83 GHz
|
||
available frequency steps: 2.83 GHz, 2.00 GHz
|
||
available cpufreq governors: conservative userspace powersave ondemand performance
|
||
current policy: frequency should be within 2.00 GHz and 2.83 GHz.
|
||
The governor "conservative" may decide which speed to use
|
||
within this range.
|
||
current CPU frequency: 2.00 GHz (asserted by call to hardware)
|
||
boost state support:
|
||
Supported: no
|
||
Active: no
|
||
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||
```
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可以看到,没有一个物理机是运行在performance模式之下的。
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在这里,我们需要对CPU的运行模式有一个了解:
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![](https://static001.geekbang.org/resource/image/8c/82/8cd3a3bee80eb77bf348b1a063a90682.jpg)
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既然我们是性能分析人员,那自然要用performance模式了,所以我们把CPU模式修改如下:
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```
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||
-- 物理机器1
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||
[root@hp-server ~]# cpupower -c all frequency-set -g performance
|
||
Setting cpu: 0
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||
Setting cpu: 1
|
||
Setting cpu: 2
|
||
Setting cpu: 3
|
||
Setting cpu: 4
|
||
Setting cpu: 5
|
||
Setting cpu: 6
|
||
Setting cpu: 7
|
||
Setting cpu: 8
|
||
Setting cpu: 9
|
||
Setting cpu: 10
|
||
Setting cpu: 11
|
||
Setting cpu: 12
|
||
Setting cpu: 13
|
||
Setting cpu: 14
|
||
Setting cpu: 15
|
||
Setting cpu: 16
|
||
Setting cpu: 17
|
||
Setting cpu: 18
|
||
Setting cpu: 19
|
||
Setting cpu: 20
|
||
Setting cpu: 21
|
||
Setting cpu: 22
|
||
Setting cpu: 23
|
||
Setting cpu: 24
|
||
Setting cpu: 25
|
||
Setting cpu: 26
|
||
Setting cpu: 27
|
||
Setting cpu: 28
|
||
Setting cpu: 29
|
||
Setting cpu: 30
|
||
Setting cpu: 31
|
||
[root@hp-server ~]# cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor
|
||
performance
|
||
[root@hp-server ~]#
|
||
|
||
-- 物理机器2
|
||
[root@dell-server-2 ~]# cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor
|
||
powersave
|
||
[root@dell-server-2 ~]# cpupower -c all frequency-set -g performance
|
||
Setting cpu: 0
|
||
Setting cpu: 1
|
||
Setting cpu: 2
|
||
Setting cpu: 3
|
||
Setting cpu: 4
|
||
Setting cpu: 5
|
||
Setting cpu: 6
|
||
Setting cpu: 7
|
||
Setting cpu: 8
|
||
Setting cpu: 9
|
||
Setting cpu: 10
|
||
Setting cpu: 11
|
||
Setting cpu: 12
|
||
Setting cpu: 13
|
||
Setting cpu: 14
|
||
Setting cpu: 15
|
||
[root@dell-server-2 ~]# cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor
|
||
performance
|
||
[root@dell-server-2 ~]#
|
||
|
||
-- 物理机器3
|
||
[root@dell-server-3 ~]# cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor
|
||
powersave
|
||
[root@dell-server-3 ~]# cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor
|
||
powersave
|
||
[root@dell-server-3 ~]# cpupower -c all frequency-set -g performance
|
||
Setting cpu: 0
|
||
Setting cpu: 1
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||
Setting cpu: 2
|
||
Setting cpu: 3
|
||
Setting cpu: 4
|
||
Setting cpu: 5
|
||
Setting cpu: 6
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||
Setting cpu: 7
|
||
Setting cpu: 8
|
||
Setting cpu: 9
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||
Setting cpu: 10
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||
Setting cpu: 11
|
||
Setting cpu: 12
|
||
Setting cpu: 13
|
||
Setting cpu: 14
|
||
Setting cpu: 15
|
||
[root@dell-server-3 ~]# cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor
|
||
performance
|
||
[root@dell-server-3 ~]#
|
||
|
||
-- 物理机器4
|
||
[root@lenvo-nfs-server ~]# cpupower -c all frequency-set -g performance
|
||
Setting cpu: 0
|
||
Setting cpu: 1
|
||
Setting cpu: 2
|
||
Setting cpu: 3
|
||
[root@lenvo-nfs-server ~]# cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor
|
||
performance
|
||
[root@lenvo-nfs-server ~]#
|
||
|
||
```
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在我们一顿操作猛如虎之后,性能会怎么样呢?
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结果,性能并没有好起来……这里我就不截图了,因为图和一开始的那张场景运行图一样。
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在这里我们要知道,以上的分析过程说明不止是这个问题点,还有其他资源使用有短板我们没有找到。没办法,我们只能接着查。
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## 总结
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在这节课中,我们通过压力工具中的曲线,判断了瓶颈的存在。然后通过SkyWalking拆分了响应时间。
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在确定了响应时间消耗点之后,我们又开始了两个阶段的分析:第一个阶段的证据链是从现象开始往下分析的,因为st cpu是指宿主机上的其他应用的消耗导致了此虚拟机的cpu资源被消耗,所以,我们去宿主机上去查了其他的虚拟机。这里我们要明确CPU资源应该用到什么样的程度,在发现了资源使用不合理之后,再接着做第二阶段的判断。
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在第二阶段中,我们判断了CPU运行模式。在物理机中,如果我们自己不做主动的限制,CPU的消耗是没有默认限制的,所以我们才去查看CPU的运行模式。
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但是,即便我们分析并尝试解决了以上的问题,TPS仍然没什么变化。可见,在计数器的分析逻辑中,虽然我们做了优化动作,但系统仍然有问题。只能说我们当前的优化手段,只解决了木桶中的最短板,但是其他短板,我们还没有找到。
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请你注意,这并不是说我们这节课的分析优化过程没有意义。要知道,这些问题不解决,下一个问题也不会出现。所以,我们这节课的分析优化过程也非常有价值。
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下节课,我们接着来找打开首页接口的性能瓶颈。
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## 课后作业
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最后,请你思考一下:
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1. 为什么我们看到虚拟机中st cpu高,就要去查看宿主机上的其他虚拟机?如果在宿主机上看到st cpu高,我们应该做怎样的判断?
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2. CPU的运行模式在powersave时,CPU的运行逻辑是什么?
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记得在留言区和我讨论、交流你的想法,每一次思考都会让你更进一步。
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如果这节课让你有所收获,也欢迎你分享给你的朋友,共同学习进步。我们下一讲再见!
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