1. 背景
有时候会遇到一些疑难杂症，并且监控插件并不能一眼立马发现问题的根源。这时候就需要登录服务器进一步深入分析问题的根源。那么分析问题需要有一定的技术经验积累，并且有些问题涉及到的领域非常广，才能定位到问题。所以，分析问题和踩坑是非常锻炼一个人的成长和提升自我能力。如果我们有一套好的分析工具，那将是事半功倍，能够帮助大家快速定位问题，节省大家很多时间做更深入的事情。
2. 说明
本篇文章主要介绍各种问题定位的工具以及会结合案例分析问题。
3. 分析问题的方法论
What-现象是什么样的 When-什么时候发生 Why-为什么会发生 Where-哪个地方发生的问题 How much-耗费了多少资源 How to do-怎么解决问题
4. cpu
4.1 说明
针对应用程序，我们通常关注的是内核CPU调度器功能和性能。
线程的状态分析主要是分析线程的时间用在什么地方，而线程状态的分类一般分为：
-
on-CPU：执行中，执行中的时间通常又分为用户态时间user和系统态时间sys。
-
off-CPU：等待下一轮上CPU，或者等待I/O、锁、换页等等，其状态可以细分为可执行、匿名换页、睡眠、锁、空闲等状态。
处理器 核 硬件线程 CPU内存缓存 时钟频率 每指令周期数CPI和每周期指令数IPC CPU指令 使用率 用户时间／内核时间 调度器 运行队列 抢占 多进程 多线程 字长
4.2 分析工具
uptime，vmstat，mpstat，top，pidstat 只能查询到cpu及负载的的使用情况。 perf可以跟着到进程内部具体函数耗时情况，并且可以指定内核函数进行统计，指哪打哪。
4.3 使用方式
- //查看系统cpu使用情况top
- //查看所有cpu核信息mpstat -P ALL 1
- //查看cpu使用情况以及平均负载vmstat 1
- //进程cpu的统计信息pidstat -u 1 -p pid
- //跟踪进程内部函数级cpu使用情况 perf top -p pid -e cpu-clock
5. 内存
5.1 说明
主存 虚拟内存 常驻内存 地址空间 OOM 页缓存 缺页 换页 交换空间 交换 用户分配器libc、glibc、libmalloc和mtmalloc LINUX内核级SLUB分配器
5.2 分析工具
说明：
-
free，vmstat，top，pidstat，pmap只能统计内存信息以及进程的内存使用情况。
-
valgrind 可以分析内存泄漏问题。
-
dtrace 动态跟踪。需要对内核函数有很深入的了解，通过D语言编写脚本完成跟踪。
5.3 使用方式
- //查看系统内存使用情况free -m
- //虚拟内存统计信息vmstat 1
- //查看系统内存情况top
- //1s采集周期，获取内存的统计信息pidstat -p pid -r 1
- //查看进程的内存映像信息pmap -d pid
- //检测程序内存问题valgrind --tool=memcheck --leak-check=full --log-file=./log.txt ./程序名
6. 磁盘IO
6.1 说明
在理解磁盘IO之前，同样我们需要理解一些概念，例如：
文件系统 VFS 文件系统缓存 页缓存page cache 缓冲区高速缓存buffer cache 目录缓存 inode inode缓存 noop调用策略
6.2 分析工具
6.3 使用方式
- //查看系统io信息iotop
- //统计io详细信息iostat -d -x -k 1 10
- //查看进程级io的信息pidstat -d 1 -p pid
- //查看系统IO的请求，比如可以在发现系统IO异常时，可以使用该命令进行调查，就能指定到底是什么原因导致的IO异常perf record -e block:block_rq_issue -ag^Cperf report
7. 网络
7.1 说明
7.2 分析工具
7.3 使用方式
- //显示网络统计信息netstat -s
- //显示当前UDP连接状况netstat -nu
- //显示UDP端口号的使用情况netstat -apu
- //统计机器中网络连接各个状态个数netstat -a | awk '/^tcp/ {++S[$NF]} END {for(a in S) print a, S[a]}'
- //显示TCP连接ss -t -a//显示sockets摘要信息ss -s//显示所有udp socketsss -u -a//tcp,etcp状态sar -n TCP,ETCP 1
- //查看网络IOsar -n DEV 1//抓包以包为单位进行输出tcpdump -i eth1 host 192.168.1.1 and port 80 //抓包以流为单位显示数据内容tcpflow -cp host 192.168.1.1
8. 系统负载
8.1 说明
8.2 分析工具
8.3 使用方式
- //查看负载情况uptimetopvmstat
- //统计系统调用耗时情况strace -c -p pid
- //跟踪指定的系统操作例如epoll_waitstrace -T -e epoll_wait -p pid
- //查看内核日志信息dmesg
9. 火焰图
9.1 说明
常见的火焰图类型有 On-CPU、Off-CPU、Memory、Hot/Cold、Differential等等。
9.2 安装依赖库
- //安装systemtap，默认系统已安装yum install systemtap systemtap-runtime
- //内核调试库必须跟内核版本对应，例如：uname -r 2.6.18-308.el5kernel-debuginfo-2.6.18-308.el5.x86_64.rpmkernel-devel-2.6.18-308.el5.x86_64.rpmkernel-debuginfo-common-2.6.18-308.el5.x86_64.rpm
- //安装内核调试库debuginfo-install --enablerepo=debuginfo search kerneldebuginfo-install --enablerepo=debuginfo search glibc
9.3 安装
- git clone https://github.com/lidaohang/quick_location.gitcd quick_location
9.4 CPU级别火焰图
cpu占用过高，或者使用率提不上来，你能快速定位到代码的哪块有问题吗？
一般的做法可能就是通过日志等方式去确定问题。现在我们有了火焰图，能够非常清晰的发现哪个函数占用cpu过高，或者过低导致的问题。
9.4.1 on-CPU
- //on-CPU usersh ngx_on_cpu_u.sh pid
- //进入结果目录 cd ngx_on_cpu_u
- //on-CPU kernelsh ngx_on_cpu_k.sh pid
- //进入结果目录 cd ngx_on_cpu_k
- //开一个临时端口 8088 python -m SimpleHTTPServer 8088//打开浏览器输入地址127.0.0.1:8088/pid.svg
DEMO：
- #include <stdio.h>
- #include <stdlib.h>
- void foo3()
- {
- }
- void foo2(){
- int i;
- for(i=0 ; i < 10; i++)
- foo3();
- }
- void foo1()
- {
- int i;
- for(i = 0; i< 1000; i++)
- foo3();
- }
- int main(void)
- {
- int i;
- for( i =0; i< 1000000000; i++) {
- foo1();
- foo2();
- }
- }
DEMO火焰图：
9.4.2 off-CPU
cpu过低，利用率不高。等待下一轮CPU，或者等待I/O、锁、换页等等，其状态可以细分为可执行、匿名换页、睡眠、锁、空闲等状态。
使用方式：
- // off-CPU usersh ngx_off_cpu_u.sh pid
- //进入结果目录cd ngx_off_cpu_u
- //off-CPU kernelsh ngx_off_cpu_k.sh pid
- //进入结果目录cd ngx_off_cpu_k
- //开一个临时端口8088python -m SimpleHTTPServer 8088
- //打开浏览器输入地址127.0.0.1:8088/pid.svg
官网DEMO：
9.5 内存级别火焰图
如果线上程序出现了内存泄漏，并且只在特定的场景才会出现。这个时候我们怎么办呢？有什么好的方式和工具能快速的发现代码的问题呢？同样内存级别火焰图帮你快速分析问题的根源。
使用方式：
- sh ngx_on_memory.sh pid
- //进入结果目录cd ngx_on_memory
- //开一个临时端口8088python -m SimpleHTTPServer 8088
- //打开浏览器输入地址127.0.0.1:8088/pid.svg
官网DEMO：
9.6 性能回退-红蓝差分火焰图
你能快速定位CPU性能回退的问题么？如果你的工作环境非常复杂且变化快速，那么使用现有的工具是来定位这类问题是很具有挑战性的。当你花掉数周时间把根因找到时，代码已经又变更了好几轮，新的性能问题又冒了出来。主要可以用到每次构建中，每次上线做对比看，如果损失严重可以立马解决修复。
通过抓取了两张普通的火焰图，然后进行对比，并对差异部分进行标色：红色表示上升，蓝色表示下降。差分火焰图是以当前（“修改后”）的profile文件作为基准，形状和大小都保持不变。因此你通过色彩的差异就能够很直观的找到差异部分，且可以看出为什么会有这样的差异。
使用方式：
- cd quick_location
- //抓取代码修改前的profile 1文件perf record -F 99 -p pid -g -- sleep 30perf script > out.stacks1
- //抓取代码修改后的profile 2文件perf record -F 99 -p pid -g -- sleep 30perf script > out.stacks2
- //生成差分火焰图:./FlameGraph/stackcollapse-perf.pl ../out.stacks1 > out.folded1./FlameGraph/stackcollapse-perf.pl ../out.stacks2 > out.folded2./FlameGraph/difffolded.pl out.folded1 out.folded2 | ./FlameGraph/flamegraph.pl > diff2.svg
DEMO：
- //test.c
- #include <stdio.h>
- #include <stdlib.h>
- void foo3()
- {
- }
- void foo2()
- {
- int i;
- for(i=0 ; i < 10; i++)
- foo3();
- }
- void foo1()
- {
- int i;
- for(i = 0; i< 1000; i++)
- foo3();
- }
- int main(void)
- {
- int i;
- for( i =0; i< 1000000000; i++) {
- foo1();
- foo2();
- }
- }
- //test1.c
- #include <stdio.h>
- #include <stdlib.h>
- void foo3()
- {
- }
- void foo2()
- {
- int i;
- for(i=0 ; i < 10; i++)
- foo3();
- }
- void foo1()
- {
- int i;
- for(i = 0; i< 1000; i++)
- foo3();
- }
- void add()
- {
- int i;
- for(i = 0; i< 10000; i++)
- foo3();
- }
- int main(void)
- {
- int i;
- for( i =0; i< 1000000000; i++) {
- foo1();
- foo2();
- add();
- }
- }
DEMO红蓝差分火焰图：
10. 案例分析
10.1 接入层nginx集群异常现象
10.2 分析nginx相关指标
a) **分析nginx请求流量：
结论：
通过上图发现流量并没有突增，反而下降了，跟请求流量突增没关系。
b) **分析nginx响应时间
结论：
通过上图发现nginx的响应时间有增加可能跟nginx自身有关系或者跟后端upstream响应时间有关系。
c) **分析nginx upstream响应时间
结论：
通过上图发现nginx upstream 响应时间有增加，目前猜测可能后端upstream响应时间拖住nginx，导致nginx出现请求流量异常。
10.3 分析系统cpu情况
a) **通过top观察系统指标
top
结论：
发现nginx worker cpu比较高
b) **分析nginx进程内部cpu情况
- perf top -p pid
结论：
发现主要开销在free,malloc,json解析上面
10.4 火焰图分析cpu
a) **生成用户态cpu火焰图
- //on-CPU usersh ngx_on_cpu_u.sh pid
- //进入结果目录cd ngx_on_cpu_u
- //开一个临时端口8088python -m SimpleHTTPServer 8088
- //打开浏览器输入地址127.0.0.1:8088/pid.svg
结论：
发现代码里面有频繁的解析json操作，并且发现这个json库性能不高，占用cpu挺高。
10.5 案例总结
a) 分析请求流量异常，得出nginx upstream后端机器响应时间拉长
b) 分析nginx进程cpu高，得出nginx内部模块代码有耗时的json解析以及内存分配回收操作
10.5.1 深入分析
根据以上两点问题分析的结论，我们进一步深入分析。
后端upstream响应拉长，最多可能影响nginx的处理能力。但是不可能会影响nginx内部模块占用过多的cpu操作。并且当时占用cpu高的模块，是在请求的时候才会走的逻辑。不太可能是upstram后端拖住nginx，从而触发这个cpu的耗时操作。
10.5.2 解决方式
遇到这种问题，我们优先解决已知的，并且非常明确的问题。那就是cpu高的问题。解决方式先降级关闭占用cpu过高的模块，然后进行观察。经过降级关闭该模块cpu降下来了，并且nginx请求流量也正常了。之所以会影响upstream时间拉长，因为upstream后端的服务调用的接口可能是个环路再次走回到nginx。
11.参考资料
-
http://www.brendangregg.com/index.html
-
http://www.brendangregg.com/FlameGraphs/cpuflamegraphs.html
-
http://www.brendangregg.com/FlameGraphs/memoryflamegraphs.html
-
http://www.brendangregg.com/FlameGraphs/offcpuflamegraphs.html
-
http://www.brendangregg.com/blog/2014-11-09/differential-flame-graphs.html
-
https://github.com/openresty/openresty-systemtap-toolkit
-
https://github.com/brendangregg/FlameGraph
https://www.slideshare.net/brendangregg/blazing-performance-with-flame-graphs
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