Performance Tuning

关于性能优化这是一个比较大的话题，在《由12306.cn谈谈网站性能技术》中我从业务和设计上说过一些可用的技术以及那些技术的优缺点，今天，想从一些技术细节上谈谈性能优化，主要是一些代码级别的技术和方法。本文的东西是我的一些经验和知识，并不一定全对，希望大家指正和补充。

在开始这篇文章之前，大家可以移步去看一下酷壳以前发表的《代码优化概要》，这篇文章基本上告诉你——要进行优化，先得找到性能瓶颈！ 但是在讲如何定位系统性能瓶劲之前，请让我讲一下系统性能的定义和测试，因为没有这两件事，后面的定位和优化无从谈起。

一、系统性能定义

让我们先来说说如何什么是系统性能。这个定义非常关键，如果我们不清楚什么是系统性能，那么我们将无法定位之。我见过很多朋友会觉得这很容易，但是仔细一问，其实他们并没有一个比较系统的方法，所以，在这里我想告诉大家如何系统地来定位性能。 总体来说，系统性能就是两个事：

Throughput ，吞吐量。也就是每秒钟可以处理的请求数，任务数。
Latency， 系统延迟。也就是系统在处理一个请求或一个任务时的延迟。
一般来说，一个系统的性能受到这两个条件的约束，缺一不可。比如，我的系统可以顶得住一百万的并发，但是系统的延迟是2分钟以上，那么，这个一百万的负载毫无意义。系统延迟很短，但是吞吐量很低，同样没有意义。所以，一个好的系统的性能测试必然受到这两个条件的同时作用。 有经验的朋友一定知道，这两个东西的一些关系：

Throughput越大，Latency会越差。因为请求量过大，系统太繁忙，所以响应速度自然会低。
Latency越好，能支持的Throughput就会越高。因为Latency短说明处理速度快，于是就可以处理更多的请求。
二、系统性能测试

经过上述的说明，我们知道要测试系统的性能，需要我们收集系统的Throughput和Latency这两个值。

首先，需要定义Latency这个值，比如说，对于网站系统响应时间必需是5秒以内（对于某些实时系统可能需要定义的更短，比如5ms以内，这个更根据不同的业务来定义）
其次，开发性能测试工具，一个工具用来制造高强度的Throughput，另一个工具用来测量Latency。对于第一个工具，你可以参考一下"十个免费的Web压力测试工具"，关于如何测量Latency，你可以在代码中测量，但是这样会影响程序的执行，而且只能测试到程序内部的Latency，真正的Latency是整个系统都算上，包括操作系统和网络的延时，你可以使用Wireshark来抓网络包来测量。这两个工具具体怎么做，这个还请大家自己思考去了。
最后，开始性能测试。你需要不断地提升测试的Throughput，然后观察系统的负载情况，如果系统顶得住，那就观察Latency的值。这样，你就可以找到系统的最大负载，并且你可以知道系统的响应延时是多少。
再多说一些，

关于Latency，如果吞吐量很少，这个值估计会非常稳定，当吞吐量越来越大时，系统的Latency会出现非常剧烈的抖动，所以，我们在测量Latency的时候，我们需要注意到Latency的分布，也就是说，有百分之几的在我们允许的范围，有百分之几的超出了，有百分之几的完全不可接受。也许，平均下来的Latency达标了，但是其中仅有50%的达到了我们可接受的范围。那也没有意义。
关于性能测试，我们还需要定义一个时间段。比如：在某个吞吐量上持续15分钟。因为当负载到达的时候，系统会变得不稳定，当过了一两分钟后，系统才会稳定。另外，也有可能是，你的系统在这个负载下前几分钟还表现正常，然后就不稳定了，甚至垮了。所以，需要这么一段时间。这个值，我们叫做峰值极限。
性能测试还需要做Soak Test，也就是在某个吞吐量下，系统可以持续跑一周甚至更长。这个值，我们叫做系统的正常运行的负载极限。
性能测试有很多很复要的东西，比如：burst test等。 这里不能一一详述，这里只说了一些和性能调优相关的东西。总之，性能测试是一细活和累活。

三、定位性能瓶颈

bottleneck

有了上面的铺垫，我们就可以测试到到系统的性能了，再调优之前，我们先来说说如何找到性能的瓶颈。我见过很多朋友会觉得这很容易，但是仔细一问，其实他们并没有一个比较系统的方法。

3.1）查看操作系统负载

首先，当我们系统有问题的时候，我们不要急于去调查我们代码，这个毫无意义。我们首要需要看的是操作系统的报告。看看操作系统的CPU利用率，看看内存使用率，看看操作系统的IO，还有网络的IO，网络链接数，等等。Windows下的perfmon是一个很不错的工具，Linux下也有很多相关的命令和工具，比如：SystemTap，LatencyTOP，vmstat, sar, iostat, top, tcpdump等等 。通过观察这些数据，我们就可以知道我们的软件的性能基本上出在哪里。比如：

1）先看CPU利用率，如果CPU利用率不高，但是系统的Throughput和Latency上不去了，这说明我们的程序并没有忙于计算，而是忙于别的一些事，比如IO。（另外，CPU的利用率还要看内核态的和用户态的，内核态的一上去了，整个系统的性能就下来了。而对于多核CPU来说，CPU 0 是相当关键的，如果CPU 0的负载高，那么会影响其它核的性能，因为CPU各核间是需要有调度的，这靠CPU0完成）

2）然后，我们可以看一下IO大不大，IO和CPU一般是反着来的，CPU利用率高则IO不大，IO大则CPU就小。关于IO，我们要看三个事，一个是磁盘文件IO，一个是驱动程序的IO（如：网卡），一个是内存换页率。这三个事都会影响系统性能。

3）然后，查看一下网络带宽使用情况，在Linux下，你可以使用iftop, iptraf, ntop, tcpdump这些命令来查看。或是用Wireshark来查看。

4）如果CPU不高，IO不高，内存使用不高，网络带宽使用不高。但是系统的性能上不去。这说明你的程序有问题，比如，你的程序被阻塞了。可能是因为等那个锁，可能是因为等某个资源，或者是在切换上下文。

通过了解操作系统的性能，我们才知道性能的问题，比如：带宽不够，内存不够，TCP缓冲区不够，等等，很多时候，不需要调整程序的，只需要调整一下硬件或操作系统的配置就可以了。

3.2）使用Profiler测试

接下来，我们需要使用性能检测工具，也就是使用某个Profiler来差看一下我们程序的运行性能。如：Java的JProfiler/TPTP/CodePro Profiler，GNU的gprof，IBM的PurifyPlus，Intel的VTune，AMD的CodeAnalyst，还有Linux下的OProfile/perf，后面两个可以让你对你的代码优化到CPU的微指令级别，如果你关心CPU的L1/L2的缓存调优，那么你需要考虑一下使用VTune。 使用这些Profiler工具，可以让你程序中各个模块函数甚至指令的很多东西，如：运行的时间 ，调用的次数，CPU的利用率，等等。这些东西对我们来说非常有用。

我们重点观察运行时间最多，调用次数最多的那些函数和指令。这里注意一下，对于调用次数多但是时间很短的函数，你可能只需要轻微优化一下，你的性能就上去了（比如：某函数一秒种被调用100万次，你想想如果你让这个函数提高0.01毫秒的时间 ，这会给你带来多大的性能）

使用Profiler有个问题我们需要注意一下，因为Profiler会让你的程序运行的性能变低，像PurifyPlus这样的工具会在你的代码中插入很多代码，会导致你的程序运行效率变低，从而没发测试出在高吞吐量下的系统的性能，对此，一般有两个方法来定位系统瓶颈：

1）在你的代码中自己做统计，使用微秒级的计时器和函数调用计算器，每隔10秒把统计log到文件中。

2）分段注释你的代码块，让一些函数空转，做Hard Code的Mock，然后再测试一下系统的Throughput和Latency是否有质的变化，如果有，那么被注释的函数就是性能瓶颈，再在这个函数体内注释代码，直到找到最耗性能的语句。