从 I don't know What I don't know 到 I know What I don't know 再到 I already know what I need to know 的过程！

个人理解，不喜勿喷

策略、方法和方法论

性能问题的现状

传统的软件开发过程主要包括 4 个阶段：分析、设计、编码和测试

• 分析：用于评估需求、权衡各种架构的利弊以及构思高层抽象

• 设计：依据分析阶段的基本架构和高层抽象，进行更精细的抽象，考虑具体实现

• 编码：代码设计的实现

• 测试：验证实现是否合乎应用需求

建议在分析阶段添加性能分析，测试阶段之后新增性能测试

通过性能分析定位性能问题

• 应用预期的吞吐量是多少？

• 请求和响应之间的延迟预期是多少？

• 应用支持多少并发用户或者并发任务？

• 当并发用户数或者并发任务数达到最大时，可接受的吞吐量和延迟是多少？

• 最差情况下的延迟是多少？

• 要使垃圾收集引入的延迟在可容忍范围之内，垃圾收集的频率应该是多少？

低劣的设计和糟糕的实现发现得越晚，修复的代价越大

现在许多应用都会使用自动构建和测试，进一步添加自动性能测试

性能分析的两种方法

1. 自顶向下

自顶向下是最常用的性能调优方法

首先对运行在特定负载之下的应用进行监控，监控范围包括：操作系统，Java 虚拟机，JavaEE 容器以及应用的性能测量统计指标，然后基于监控信息所给出的提示进行下一步工作，例如 JVM 垃圾收集器调优，操作系统调优，或者应用程序性能分析

2. 自底向上

在无法更改应用源代码，例如应用已经部署在生产环境中等，个人理解：开发一般不需要考虑这个问题

首先需要收集和监控最底层 CPU 的性能统计数据，监控的 CPU 统计数据包括执行特定任务所需要的 CPU 指令数（路径长度），以及应用在一定负载运行下时的 CPU 高速缓存未命中率，然后根据这些信息优化 CPU 使用率

操作系统性能监控

这里主要讲解 linux 和 windows 的性能监控方法

改善性能涉及三种不同的活动

• 性能监控

• 性能分析

• 性能调优

CPU 使用率

Windows

个人是 linux 系统，不好演示

工具：任务管理器或 Performance Monitor（性能监视器）

具体使用可自行百度

命令行：Windows typeperf

Linux

工具：GNOME System Monitor

如图显示该系统有 4 个虚拟处理器

CPU 历史区域：每个虚拟处理器在一段时期内的 CPU 使用率，每条线代表一个虚拟处理器，下方颜色块显示的是每个虚拟处理器当前 CPU 使用率

命令行：vmstat/mpstat/top

vmstat 1 5 表示每 1 秒刷新，刷新 5 次

• procs：相关进程的信息。

• memory：关于内存使用的信息。

• swap：交换区的使用情况。

• io：关于 IO 操作的信息。

• system：关于中断和上下文切换的信息。

• cpu：CPU 的使用情况。

us 是用户态 CPU 使用率，sy 是系统 CPU 使用率，id 是空闲率或 CPU 可用率。

us、sy 的和应该等于 100 减去 id，即 100-id 列的值

mpstat -P ALL 1 3 表示所有 CPU 的统计信息，每 1 秒刷新一次，共刷新 3 次

• %usr：用户级（应用）运行时间百分比。

• %nice：用于 user-nice 时间的百分比。

• %sys：系统级运行时间百分比。

• %iowait：CPU 空闲时间百分比，此时至少有一个 I/O 在等待中。

• %irq/soft：分别处理硬/软中断所占用的 CPU 时间百分比。

• %idle：CPU 闲置时间百分比。

top 命令

1. top：直接输入 top 后按 enter，可以看到当前系统的状态，包括任务数，负载状态，CPU 使用状态，内存和交换区使用状态以及各个进程的状态。

2. top -p pid：监视指定进程的状态。

3. top -d n：设定每次显示的间隔，单位为秒。

4. top -i：忽略闲置和僵尸进程。

5. top -b：以批处理模式启动 top，主要用于在脚本中捕获 top 的输出信息。

6. top -n num：在结束 top 程序前，更新 num 次。

在使用top命令的过程中，还可以实时输入一些命令来调整 top 的显示：

1. P：按 CPU 利用率排序。

2. M：按内存利用率排序。

3. t：显示或隐藏“任务(CPU 核心)”，“负载和运行时间”这两行信息。

4. m：显示或隐藏“内存简述”行。

5. c：显示或隐藏命令完整路径。

6. k：杀死一个进程，需要知道该进程的 PID。

7. r：变更一个进程的优先级别。

CPU 调度程序运行队列

Windows

工具：在 Performance Monitor 中添加性能计数器监控运行队列长度

命令行：typeperf ”\System\Processor Queue Length“ 监控运行队列长度

Linux

vmstat 输出的第一列是运行队列长度，表示运行队列中轻量级进程的实际数量

内存使用率

Windows

工具：Performance Monitor 中监控每秒内存页面调度（\Memory\Pages/Second）、可用内存字节数（\Memory\Available MBytes）可以判别系统是否正在进行页面交换，当可用内存变少，并且有页面调度时，系统可能正在进行页面交换

命令行：typeperf -si 5 "\Memory\Available MBytes" "\Memory\Pages/sec"

Linux

命令行：vmstat 输出中的 free 列监控页面交换，也可以用 top 命令或/pro/meminfo 文件来监控

用 vmstat 监控页面交换，需要监控 vmstat 中的 si 和 so，分别表示内存页面的换入和换出的量，free 列显示可用的空闲内存，留意是否会同时出现空闲内存少和页面调度频繁的情形

监控锁竞争

Windows

需要外部工具：Intel VTune 或 AMD CodeAnalyst

Linux

命令行：pidstat -w

• 18时40分48秒：时间戳，显示命令运行时的时间。

• UID：进程的用户 ID，表示进程所属的用户。

• PID：进程的 ID，表示进程的唯一标识符。

• cswch/s：表示每秒发生的上下文切换次数，包括进程切换和主动休眠等。

• nvcswch/s：表示每秒发生的非特权进程上下文切换次数，也叫非特权进程切换次数。

• Command：进程的命令名称。

参数说明：

• [options]：pidstat 命令的选项，用于指定要显示的统计信息。常用选项如下：-p <pid>：监测指定进程 ID 的活动情况。-u：显示 CPU 利用率。-r：显示内存利用率。-d：显示磁盘利用率。-w：显示上下文切换和中断信息。-v：显示指定进程的详细信息。

• [interval]：可选参数，指定两次采样的时间间隔（以秒为单位），默认为 1 秒。

• [count]：可选参数，指定采样的次数，默认为无限次。

网络 I/O 使用率

Linux

命令行：nicstat 1 5

• Time：显示采样数据的时间戳。

• Int：网络接口的名称。

• rKB/s：接收的数据量（以 KB 为单位）每秒钟。

• wKB/s：发送的数据量（以 KB 为单位）每秒钟。

• rPk/s：接收的数据包（以包为单位）每秒钟。

• wPk/s：发送的数据包（以包为单位）每秒钟。

• rAvs：接收的数据包平均大小（以字节为单位）。

• wAvs：发送的数据包平均大小（以字节为单位）。

• %Util：网络接口的利用率，即接口处于工作状态的百分比。

• Sat：网络接口的断裂时间（以秒为单位），即接口发生故障的时间。

参数说明：

• [options]：nicstat 命令的选项，用于指定要显示的统计信息。常用选项如下：-a：显示所有网络接口的统计信息。-u：显示网络接口的传输速率。-i <interface>：指定要监测的特定网络接口。可以使用ifconfig -a查看可用的网络接口名称。-s：显示各个网络接口的摘要统计信息。-v：显示详细的报告，包括每个进程的网络 I/O 和套接字信息。

• [interval]：可选参数，指定两次采样的时间间隔（以秒为单位），默认为 1 秒。

• [count]：可选参数，指定采样的次数，默认为无限次。

隔离竞争锁

追查竞争锁来历一直都是难题，可以用一下方法

• 定期转储线程，查找那些可能在多个线程中因共享锁而被阻塞的线程，后续详细介绍

• Oracle Solaris Studio Performance Analyzer，后续详解

监控抢占式上下文切换

Linux

命令行：pidstat -w 监控抢占式上下文切换，可以用 taskset 创建处理器组将应用分配给这些处理器组

具体请百度，个人也不是很懂

磁盘 I/O 使用率

Linux

命令行：iostat

针对avg-cpu部分中的统计信息：

• %user：所占 CPU 时间的百分比，用于进程运行在用户态的时间。

• %nice：所占 CPU 时间的百分比，用于进程运行在用户态的优先级已经提升的时间。

• %system：所占 CPU 时间的百分比，用于进程运行在内核态的时间。

• %iowait：所占 CPU 时间的百分比，用于等待磁盘 I/O 的时间。

• %steal：所占 CPU 时间的百分比，用于被其他虚拟 CPU 进行运算的时间（仅适用于虚拟化环境）。

• %idle：所占 CPU 时间的百分比，即 CPU 处于空闲状态的时间。

针对Device部分中的磁盘统计信息：

• tps：每秒完成的传输操作数，即每秒磁盘执行的读写操作总和。

• kB_read/s：每秒从磁盘读取的数据量（以 KB 为单位）。

• kB_wrtn/s：每秒向磁盘写入的数据量（以 KB 为单位）。

• kB_dscd/s：每秒废弃（丢弃）的缓存数据量（以 KB 为单位）。

• kB_read：读取自第一次启动至今的总字节数（以 KB 为单位）。

• kB_wrtn：写入自第一次启动至今的总字节数（以 KB 为单位）。

• kB_dscd：废弃（丢弃）的缓存数据总字节数（以 KB 为单位）。

参数说明：

• [options]：iostat 命令的选项，用于指定要显示的统计信息。常用选项如下：-a：显示所有磁盘和 CPU 的统计信息。-d：显示磁盘的统计信息。-c：显示 CPU 的统计信息。-N <device>：显示指定设备的统计信息。-x：显示扩展的磁盘统计信息。-t：在输出结果中添加时间戳。

• [interval]：可选参数，指定两次采样的时间间隔（以秒为单位），默认为 1 秒。

• [count]：可选参数，指定采样的次数，默认为无限次。