Linux系統性能優化

目錄

Linux系統性能優化

一、性能優化概述

二、性能監控工具

1. 基礎工具

2. 高級工具

三、子系統優化策略

1. CPU優化

2. 內存優化

3. 磁盤I/O優化

4. 網絡優化

四、資源限制優化

1. ulimit

2. cgroups（控制組）

五、安全與注意事項

六、綜合案例

案例1：TCP連接數過高導致Web服務卡頓

問題描述

優化配置

驗證方法

案例2：Java應用內存溢出導致系統崩潰

問題描述

優化配置

驗證方法

案例3：磁盤I/O延遲導致數據庫性能下降

問題描述

優化配置

驗證方法

案例4：CPU競爭導致多線程應用性能差

問題描述

優化配置

驗證方法

案例5：網絡丟包導致視頻流傳輸卡頓

問題描述

優化配置

驗證方法

總結：優化配置原則

一、性能優化概述

  1. 目標：提升系統響應速度、資源利用率，避免瓶頸。

  2. 核心原則：

    • 監控先行：先分析瓶頸，再針對性優化。

    • 逐步調整：避免一次性修改過多參數。

    • 穩定性優先：優化后需充分測試。

二、性能監控工具

1. 基礎工具

  • top / htop

    top ? ? ? ? ?# 實時查看CPU、內存、進程
htop ? ? ? ? # 增強版（支持鼠標操作）

    • 關鍵指標：%CPU（CPU占用）、%MEM（內存占用）、LOAD AVERAGE（系統負載）。

  • vmstat

    vmstat 1 ? ? # 每秒輸出一次系統狀態

    • 關鍵列：

      • r：等待CPU的進程數（> CPU核數表示過載）。

      • si/so：Swap交換頻率（頻繁交換說明內存不足）。

  • iostat

    iostat -xz 1 # 查看磁盤I/O

    • 關鍵指標：%util（磁盤利用率 >80% 表示瓶頸）、await（I/O等待時間）。

  • netstat / ss

    netstat -ant | grep ESTABLISHED | wc -l ?# 查看TCP連接數
ss -s ? ? ? ?# 統計套接字信息

2. 高級工具

  • sar（系統活動報告）

    sar -u 1 3 ? ?# 查看CPU使用率（每秒1次，共3次）
sar -r ? ? ? ?# 查看內存使用歷史

  • dstat

    dstat -cmsn ?# 綜合監控CPU、內存、網絡、磁盤

三、子系統優化策略

1. CPU優化

  • 調整進程優先級

    nice -n 19 ./script.sh ? # 啟動低優先級進程
renice 19 -p PID ? ? ? ? # 修改運行中進程的優先級

  • 綁定CPU核心（減少上下文切換）

    taskset -c 0,1 ./program ?# 綁定到CPU0和CPU1

  • 內核參數調整

    # 修改/etc/sysctl.conf
kernel.sched_child_runs_first = 1 ?# 子進程優先調度

2. 內存優化

  • 調整Swap使用策略

    # 修改/etc/sysctl.conf
vm.swappiness = 10 ? ? ? ?# 降低Swap使用傾向（0-100，默認60）
vm.vfs_cache_pressure = 50 # 減少inode緩存回收頻率

  • 禁用透明大頁（THP）

    echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled

3. 磁盤I/O優化

  • 選擇合適I/O調度器

    # 查看當前調度器
cat /sys/block/sda/queue/scheduler
# 臨時修改為deadline調度器（適用于SSD）
echo deadline > /sys/block/sda/queue/scheduler

  • 文件系統優化（ext4）

    # 掛載參數：noatime（不記錄訪問時間）, data=writeback
UUID=xxx / ext4 defaults,noatime,data=writeback 0 1

4. 網絡優化

  • TCP參數調優

    # 修改/etc/sysctl.conf
net.core.somaxconn = 4096 ? ? ? # 提高連接隊列長度
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30 ? # 縮短TIME_WAIT超時
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 ? ? ? # 允許重用TIME_WAIT連接
    sysctl -p ?# 應用配置

  • 限制連接數

    # 使用iptables限制單IP連接數
iptables -A INPUT -p tcp --syn --dport 80 -m connlimit --connlimit-above 50 -j DROP

四、資源限制優化

1. ulimit

  • 修改用戶級限制

    # 編輯/etc/security/limits.conf
* soft nofile 65535    # 文件描述符軟限制
* hard nofile 65535    # 硬限制

  • 生效方式：重啟會話或執行 ulimit -n 65535。

2. cgroups（控制組）

  • 限制進程資源

    # 創建cgroup（需安裝cgroup-tools）
cgcreate -g cpu,memory:/my_group
# 限制CPU使用為50%
cgset -r cpu.cfs_period_us=100000 -r cpu.cfs_quota_us=50000 my_group
# 限制內存為1GB
cgset -r memory.limit_in_bytes=1G my_group
# 將進程加入cgroup
cgexec -g cpu,memory:my_group ./program

五、安全與注意事項

  1. 備份配置文件：修改前備份 /etc/sysctl.conf、/etc/security/limits.conf。

  2. 灰度測試：先在測試環境驗證參數調整效果。

  3. 避免過度優化：如無明確瓶頸，優先使用默認配置。

六、綜合案例

案例1：TCP連接數過高導致Web服務卡頓

問題描述

Nginx服務器在高并發時出現 Too many open files 錯誤，TCP連接數超過默認限制。

優化配置

  1. 修改文件描述符限制

    # 編輯 /etc/security/limits.conf
* soft nofile 65535
* hard nofile 65535
nginx soft nofile 65535   # 針對Nginx用戶單獨設置

  2. 調整Nginx配置

    # /etc/nginx/nginx.conf
worker_rlimit_nofile 65535;  # 與limits.conf一致
events {worker_connections 4096;   # 每個Worker進程連接數
}

  3. 內核TCP參數優化

    # 編輯 /etc/sysctl.conf
net.core.somaxconn = 65535     # 最大連接隊列
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 65535  # SYN隊列長度
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1      # 重用TIME_WAIT連接
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30  # 縮短FIN超時
    sysctl -p  # 生效配置

驗證方法

ss -lnt | grep 'LISTEN'   # 查看監聽隊列長度
cat /proc/$(pidof nginx)/limits | grep 'open files'  # 確認Nginx進程限制

案例2：Java應用內存溢出導致系統崩潰

問題描述

Tomcat服務頻繁觸發OOM（Out of Memory），且系統Swap使用率過高。

優化配置

  1. 限制JVM堆內存

    # 修改Tomcat啟動腳本 catalina.sh
export JAVA_OPTS="-Xms2G -Xmx2G -XX:MaxMetaspaceSize=512M"

  2. 調整系統Swap策略

    # 編輯 /etc/sysctl.conf
vm.swappiness = 10       # 降低Swap使用傾向
vm.overcommit_memory = 1 # 允許超量分配內存（謹慎使用）

  3. 使用cgroups限制內存

    # 創建內存限制組
cgcreate -g memory:/tomcat
cgset -r memory.limit_in_bytes=4G /tomcat
cgset -r memory.memsw.limit_in_bytes=6G /tomcat  # 物理內存+Swap總限制
# 啟動Tomcat
cgexec -g memory:tomcat /opt/tomcat/bin/startup.sh

驗證方法

free -h          # 查看內存和Swap使用
ps aux | grep tomcat  # 確認cgroup限制生效
cat /sys/fs/cgroup/memory/tomcat/memory.usage_in_bytes  # 查看內存占用

案例3：磁盤I/O延遲導致數據庫性能下降

問題描述

MySQL讀寫緩慢，iostat 顯示磁盤 %util 持續高于90%。

優化配置

  1. 切換I/O調度器

    # 臨時切換為deadline調度器（SSD推薦）
echo deadline > /sys/block/sda/queue/scheduler
# 永久生效（GRUB配置）
vi /etc/default/grub
GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="elevator=deadline"
update-grub  # Debian/Ubuntu
grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg  # CentOS/RHEL

  2. 調整文件系統掛載參數

    # 編輯 /etc/fstab
UUID=xxxx /data ext4 defaults,noatime,nodiratime,data=writeback 0 2

  3. MySQL配置優化

    # /etc/my.cnf
innodb_flush_method = O_DIRECT     # 繞過內核緩存
innodb_io_capacity = 2000          # SSD建議值
innodb_buffer_pool_size = 8G       # 分配足夠緩沖池

驗證方法

cat /sys/block/sda/queue/scheduler  # 確認調度器
iostat -xm 1                        # 觀察%util和await變化
mysql> SHOW GLOBAL STATUS LIKE 'Innodb_buffer_pool%';  # 查看緩沖池命中率

案例4：CPU競爭導致多線程應用性能差

問題描述

Python多進程數據處理程序運行緩慢，top 顯示CPU在多個核心間頻繁切換。

優化配置

  1. 綁定進程到特定CPU核心

    # 使用taskset綁定到CPU0-3
taskset -c 0-3 python3 data_processing.py

  2. 調整進程優先級

    nice -n -20 python3 high_priority_task.py  # 最高優先級（需root）
renice -n 19 -p 1234   # 將運行中的PID=1234進程設為低優先級

  3. 禁用CPU節能模式

    # 安裝cpufrequtils（Debian/Ubuntu）
apt install cpufrequtils
# 設置為性能模式
cpufreq-set -g performance -c 0  # 對每個CPU核心執行

驗證方法

mpstat -P ALL 1      # 查看各核心利用率
cpufreq-info         # 確認當前CPU頻率策略

案例5：網絡丟包導致視頻流傳輸卡頓

問題描述

視頻流服務器在傳輸大流量UDP數據時出現丟包，sar -n UDP 1 顯示 idgm/s（輸入數據報）超過網卡處理能力。

優化配置

  1. 增大Socket緩沖區

    # 編輯 /etc/sysctl.conf
net.core.rmem_max = 67108864   # 接收緩沖區最大值（64MB）
net.core.wmem_max = 67108864   # 發送緩沖區最大值
net.core.netdev_max_backlog = 500000  # 網卡隊列長度

  2. 多隊列網卡優化

    # 啟用RSS（Receive Side Scaling）
ethtool -L eth0 combined 8     # 設置8個隊列（需網卡支持）
# 綁定IRQ到不同CPU核心
vi /etc/rc.local
/usr/bin/irqbalance --powerthresh=50  # 啟用IRQ平衡

  3. 應用層優化（FFmpeg示例）

    ffmpeg -i input -c copy -f mpegts udp://target:1234?buffer_size=4194304  # 增大發送緩沖區

驗證方法

ethtool -S eth0 | grep rx_dropped  # 查看丟包統計
sar -n UDP 1                       # 監控UDP報文狀態
cat /proc/interrupts | grep eth0   # 確認IRQ分布

總結：優化配置原則

  1. 精準定位瓶頸：

    • 使用 perf top 分析CPU熱點。

    • 通過 dmesg 檢查內核OOM或I/O錯誤日志。

  2. 層級化調整：

    層級工具/方法
    應用層代碼優化、連接池配置
    運行時JVM參數、Golang GC策略
    操作系統sysctl、cgroups、ulimit
    硬件/驅動升級SSD、調整RAID級別

  3. 自動化監控：

    # 使用Prometheus + Grafana監控模板
- node_exporter 采集系統指標  
- alertmanager 配置CPU/內存閾值告警

附：配置修改注意事項

  1. 備份原始文件：

    cp /etc/sysctl.conf /etc/sysctl.conf.bak

  2. 分階段生效：

    • 優先通過 sysctl -w 臨時修改測試。

    • 確認穩定后寫入配置文件。

  3. 回歸測試：

    ab -n 10000 -c 500 http://localhost/  # ApacheBench壓力測試
iperf3 -c target_ip -t 60            # 網絡帶寬測試

附：常用命令速查表

命令作用
sar -u 1 3查看CPU使用率
vmstat 1監控內存和進程隊列
iostat -xz 1分析磁盤I/O瓶頸
ss -s統計TCP連接狀態

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