效能分析小案例系列，可以通過下面連結檢視哦
https://www.cnblogs.com/poloyy/category/1814570.html
前言
- 前面兩個案例講的都是上下文切換導致的 CPU 使用率升高
- 這一篇就來講講等待 I/O 導致的 CPU 使用率升高的案例
程式狀態
詳解程式狀態
https://www.cnblogs.com/poloyy/p/13413770.html
不可中斷狀態
- 當 iowait 升高時，程式很可能因為得不到硬體的響應，而長時間處於不可中斷狀態
- 不可中斷也是為了保護程式資料和硬體狀態一致，並且正常情況下，不可中斷狀態在很短時間內就會結束
- 所以，短時的不可中斷程式，一般可以忽略
- 但如果系統或硬體發生了故障，程式可能會在不可中斷狀態保持很久，甚至導致系統中出現大量不可中斷程式。這時，就得注意下，系統是不是出現了 I/O 等效能問題
殭屍程式
多程式引用很容易碰到的問題
正常情況
- 一個程式建立了子程式後，它應該通過系統呼叫 wait() 或 waitpid() 等待子程式結束，回收子程式的資源
- 而子程式在結束時，會向它的父程式傳送 SIGCHLD 訊號
- 所以，父程式還可以註冊 SIGCHLD 訊號的處理函式，非同步回收資源
異常情況
- 如果父程式沒有回收資源，或是子程式執行太快，父程式還沒來得及處理子程式狀態，子程式就已經提前退出，那這時的子程式就會變成殭屍程式
- 形象比喻：父親應該一直對兒子負責， 善始善終，如果不作為或者跟不上，都會導致“問題少年”的出現
重點
- 殭屍程式持續的時間都比較短，在父程式回收它的資源後就會消亡，或者在父程式退出後，由 init 程式回收後也會消亡
- 一旦父程式沒有處理子程式的終止，還一直保持執行狀態，那麼子程式就會一直處於殭屍狀態
- 大量的殭屍程式會用盡 PID 程式號，導致新程式不能建立
大量不可中斷狀態和殭屍狀態程式的案例
系統配置
- Ubuntu 18.04， 2 CPU，2GB 記憶體
- 前置條件：已執行案例應用
通過 ps 命令檢視案例程式
ps aux | grep /app
結果分析
- 多個 app 程式已啟動
- 狀態有 Ss+、D+、R+
- 小s：表示這個程式是一個會話的領導程式
- +：表示前臺程式組
什麼是會話和程式組
- 它們是用來管理一組相互關聯的程式
- 程式組：比如每個子程式都是父程式所在組的成員
- 會話：共享同一個控制終端的一個或多個程式組
會話和程式組的場景類比
- 通過 SSH 登入伺服器，就會開啟一個控制終端（TTY），這個控制終端就對應 一個會話
- 而在終端中執行的命令以及它們的子程式，就構成了一個個的程式組
- 在後臺執行的命令，構成後臺程式組
- 在前臺執行的命令，構成前臺程式組
通過 top 檢視系統狀況
結果分析
- 平均負載，過去 1min、5min、15min 的平均負載依次減少，說明平均負載正在升高
- 而 1min 內的平均負載已經達到系統 CPU 個數，說明系統很可能存在效能瓶頸
- 115 zombie 說明殭屍程式比較多，而且在不停增加，有子程式在退出時沒被清理
- 使用者 CPU 和系統 CPU 都不高，但 iowait 分別是 60.5% 和 94.6%，好像有點兒不正常，導致系統的平均負載升高
- 有兩個處於 D 狀態的 app 程式，可能在等待 I/O
檢視系統的殭屍程式
ps -e -o stat,ppid,pid,cmd | egrep '^[Zz]' 或 ps -ef | grep "defunct"
一堆 app 殭屍程式
iowait 分析
一提到 iowait 升高，首先會想要查詢系統的 I/O 情況
執行 dstat 命令，觀察 CPU 和 I/O 的使用情況
dstat 1 10
- 當 iowait 升高（wai）時，磁碟的讀請求（read）都會很大（M）
- 這說明 iowait 的升高跟磁碟的讀請求有關，很可能就是讀磁碟導致的
找到讀磁碟的程式
- 通過 top 找到 D 狀態的兩個 app 程式
- 不可中斷狀態代表程式在跟硬體進行互動，很可能就是讀磁碟
兩個 app 程式的 PID 分別是12407、12406
通過 pidstat 檢視 app 程式的 I/O 情況
pidstat -d -p 12407 1 5
- -d 展示 I/O 統計資料
- -p 指定程式號
- 間隔 1 秒輸出 5 組資料
- kB_rd 表示每秒讀的 KB 數， kB_wr 表示每秒寫的 KB 數，iodelay 表示 I/O 的延遲（單位是時鐘週期）
- 它們都是 0，那就表示此時沒有任何的讀寫，說明問題不 是 12407 程式導致的，也並不是12406 程式導致的
通過 pidstat 檢視系統的 I/O 情況
pidstat -d 1 10
- 能看到其實的確是 app 程式在讀，只不過每過幾秒都會有新的 app 程式在讀【pid 在不斷變化】
- 可以確認，是 app 程式的問題
通過 ps 命令檢視一直變化的 app 程式狀態
前面講到讀磁碟的 app 程式 PID 一直在變化，那麼就來看看已經沒在讀磁碟的程式的程式狀態是怎麼樣的
ps aux | grep 15973
- 這程式已經是 Z 狀態，就是殭屍程式了
- 殭屍程式都是已經退出的程式， 所以就沒法兒繼續分析它的系統呼叫
- 關於殭屍程式的處理方法，我們一會兒再說，現在還是繼續分析 iowait 的問題
通過 perf 錄製效能事件
- 系統 iowait 的問題還在繼續，但是 top、pidstat 這類工具已經不能給出更多的資訊了
- 此時可以通過 perf 動態跟蹤效能事件
perf record -g
15s 後 ctrl+c 終止錄製
檢視報告，分析報告
perf report
- app 的確在通過系統呼叫 sys_read() 讀取資料
- 並且從 new_sync_read 和 blkdev_direct_IO 能看出，程式正在對磁碟進行直接讀，也就是繞過了系統快取，每個讀請求都會從磁碟直接讀，這就可以解釋觀察到的 iowait 升高了
修復原始碼之後，通過 top 命令驗證
- iowait 已經非常低了，只有 0.3%
- 說明修改原始碼已經成功修復了 iowait 高的問題
- 不過，仔細觀察殭屍程式的數量，會發現，殭屍程式還在不斷的增長中
處理和分析殭屍程式
- 殭屍程式是因為父程式沒有回收子程式的資源而出現的
- 解決殭屍程式需要先找出父程式，然後在父程式裡解決
通過 pstree 找到某個 app 程式的父程式
pstree -aps 51780
51780 程式的父程式是 51688，也就是 app 應用
通過 ps 檢視所有殭屍程式的父程式
ps -e -o stat,ppid,pid,cmd | egrep '^[Zz]'
所有殭屍程式的父程式都是 51688，從而確認 51688 就是殭屍程式的父程式
檢視 app 應用程式的程式碼
檢視 app 應用程式的程式碼，看看子程式結束的處理是否正確
- 有沒有呼叫 wait() 或 waitpid()
- 或有沒有註冊 SIGCHLD 訊號的處理函式
把 wait() 放到了 for 死迴圈的外面，也就是說， wait() 函式實際上並沒被呼叫到，把它挪到 for 迴圈的裡面就可以了
改完原始碼，通過 top 驗證一下
殭屍程式（Z 狀態）沒有了， iowait 也是 0，問題終於全部解決了
總結
- 這個案例是因為磁碟 I/O 導致了 iowait 升高
- 不過，iowait 高並不一定代表 I/O 有效能瓶頸
- 當系統中只有 I/O 型別的程式在執行時，iowait 也會很高，但實際上，磁碟的讀寫遠沒有達到效能瓶頸的程度
分析整體思路
- 通過 top 檢視系統資源情況
- 發現平均負載逐漸升高，iowait（wa）比較高，但使用者態和核心態 CPU 使用率並不算高
- 檢視是否有 CPU 使用率偏高的程式，發現有 D 狀態的程式，可能是在等待 I/O 中
- 過一陣子會變成 Z 狀態程式，且 CPU 使用率上升，然後會看到 zombie 程式數逐漸增加
- 可以得到兩個結論：殭屍程式過多，應該是父程式沒有清理已經結束的子程式的資源；iowait 的上升導系統平均負載上升
- 因為是 iowait 較高，可以通過 dstat 檢視系統的 I/O 情況，會發現每次 iowait 升高，讀磁碟請求都會很大
- 通過 pidstat -d 檢視 D 狀態程式的 I/O 情況，但發現並沒有有效資訊
- 通過 pidstat -d 直接檢視系統的 I/O 情況，可以發現不斷有新程式在進行讀磁碟操作
- 通過 ps 命令檢視剛剛 D 狀態程式當前的程式狀態，發現已經變成殭屍程式
- 通過 perf record 錄製效能事件，然後通過 perf report 檢視效能報告，可以發現 app 程式都是直接讀磁碟，而不經過系統快取
- 通過 pstree 找到 Z 狀態程式的父程式
- 通過 ps 命令確認所有殭屍程式的父程式
- 找到父程式原始碼，檢查 wait() / waitpid() 的是否會成功呼叫，或是 SIGCHLD 訊號處理函式的註冊就行了
- 修改完全部原始碼後，重新執行應用，通過 top 驗證是否還有 iowait 過高和出現 zombie 程式的情況