之前被推荐了极客时间的这个课程，想想也是蛮需要的，在这里记录一下自己对每节的总结和思考。
性能调优图谱
如何理解平均负载？
登录到 Linux 服务器上执行 uptime 命令，得到如下输出：
21:17:08 up 81 days, 22:30, 1 user, load average: 0.15, 0.11, 0.07
分别为当前时间、系统运行时间、登陆用户数、1min/5min/15min的系统平均负载。关于平均负载的定义，执行 man uptime 可以看到：
System load averages is the average number of processes that are either in a runnable or uninterruptable state. A process in a runnable state is either using the CPU or waiting to use the CPU.
A process in uninterruptable state is waiting for some I/O access, eg waiting for disk. The averages are taken over the three time intervals. Load averages are not normalized for the number
of CPUs in a system, so a load average of 1 means a single CPU system is loaded all the time while on a 4 CPU system it means it was idle 75% of the time.
系统平均负载为单位时间内活跃进程数。其中，活跃进程数分为两种：
- Runnable Process: 正在使用CPU或者等待CPU的进程。
- Uninterruptable Process: 不可中断进程，如在等待磁盘IO的进程。
所以，不能把 avg load 高当做是 CPU 高。平均负载过高可能是如下情况导致：
- CPU密集型：频繁使用CPU，导致单位时间内 Runnable Process 过多。
- IO密集型：频繁读写磁盘，导致单位时间内 Uninterruptable Process 过多。
- 大量等待 CPU 的进程调度也会导致平均负载过高。（什么情况下会导致大量等待 CPU 调度的进程？）
实操工具：
- stress: 可以模拟 cpu/io/memory 等负载情况。
- mpstat: 监测 processor 的情况。
- pidstat: 监测进程级别对各个资源的使用情况。
CPU上下文切换
CPU 使用寄存器来暂存指令、数据和地址，使用计数器来记录指令的地址，这些可以标识 CPU 当前状态和环境的因素构成了 CPU 的上下文。
上下文切换本质上是 CPU 的任务切换，这种任务切换分为三种：
- 进程间上下文切换
- 线程间上下文切换
- 中断上下文切换
进程间上下文切换
进程空间被 Linux 系统分为多层，其中 Ring0 层具有最高权限，为内核空间，Ring3 层只能访问受限资源，为用户空间。通常在内核空间运行被称为内核态，在用户空间运行被称为用户态。从用户态变成内核态，需要记录用户态下的指令位置，但这种上下文切换并没有涉及到用户态的资源，所以我们通常称这种上下文切换为特权模式切换。
线程间上下文切换
进程间切换本质上也是线程之间的切换，线程间切换分为两种：同一进程和非同一进程的线程间切换，区别在于是否需要切换虚拟内存、全局变量等资源。
中断上下文切换
硬件中断导致的内核态上下文切换，即使进程处在用户态，也会马上进行切换，优先级最高。
使用vmstat可以查看CPU上下文切换的信息。
如果自愿上下文切换多了，那么可能是有很多线程在等待IO，非自愿上下文切换多了，那么是多线程在争抢CPU资源。
实操工具：
- sysbench：多线程基准测试工具
- /proc/interrupts
从系统级别排查CPU问题
常用工具:
- perf: Perf In Netflix，查看CPU状态的工具，功能非常强大。
- pstree: 查看进程之间的父子关系。
- strace: 查看系统调用
- lsof: list open files
常用的 top 命令：
Tasks有若干种：
- running
- sleeping
- stopped
- zombie
CPU也有若干种：
- us: user
- sy: system
- ni: nice time
- id: idle
- wa: IO-wait
- hi: hardware interrupt
- si: software interrupt
进程状态：
- R: Running
- D: Disk Sleep 一般表示在和硬件交互
- Z: Zombie
- S: Interruptible Sleep 可中断状态睡眠
- I: Idle
中断
处于性能考虑，一个中断会被拆为两个部分，上半部（硬中断）和下半部（软中断）：
- 硬中断：跟硬件交互，一般比较快。
- 软中断：由内核触发，一般比较慢。
软中断本身分为很多种，在 /proc/softirqs 中可以看到，针对网络带来的软中断，下面两个工具可以分析：
- sar: 查看系统的网络收发情况，不仅可以观察网络收发的吞吐量（BPS，每秒收发的字节数），还可以观察网络收发FPS。
- tcpdump: 抓包工具。
CPU使用率
CPU使用率分为以下几种：
- 用户CPU使用率：说明应用程序比较繁忙。
- 内核CPU：说明系统内核繁忙。
- 等待I/O CPU: 说明系统和硬件交互时间长。
- 软中断和硬中断CPU: 说明系统发生大量中断。
内存
为了让应用程序获得一整块连续的内存空间，Linux系统给每个进程提供了一块独立的虚拟内存空间。虚拟内存空间和物理内存空间通过 CPU 上的 页表（页表存在MMU(内存管理单元)里）来实现映射（因为是 CPU 上的，所以很快）。页的大小为 4KB，为了防止页表过大，Linux 系统提供了多级页表来实现页表索引，提供大页给大内存。
内存分配方面提供两种内存分配的方式：
- 小块内存使用 brk()，不会被回收，可以重复使用，但是会产生碎片化的副作用。
- 大块内存使用 mmap()，使用后被回收，每次访问都会出现缺页异常（即在虚拟空间找不到），导致内核在地址空间转换上很忙碌。
当内存不足时，系统会通过如下方式来回收内存：
- 使用如LRU的算法回收缓存。
- 回收不常使用的内存，放到swap中。
- 通过oom杀死进程。
free 命令示意(几乎都来自/proc/meminfo)：
- free: 未使用内存大小。
- shared: 共享空间大小。
- buff/cache: 缓冲区大小。
- available: 新进程可用内存大小。包括可回收缓存和未使用内存。
top 命令示意：
- VIRT: 进程虚拟内存大小。
- RES: 常驻内存大小，实际使用。
- SHR: 共享内存大小。
Buffer是对磁盘数据的缓存，Cache是对文件数据的缓存，它们既会用来读请求中，也会用在写请求中。（所以可以理解为一个是磁盘的缓存，一个是文件的缓存？）
- 写：应用程序可以在真正写入磁盘前就返回做其他的工作，剩下工作由cache和buffer来完成。
- 读：频繁读取的磁盘数据，可以加速它的读取。
使用工具：
- cachestat
- cachetop
- memleak
- valgrind
I/O 性能篇
Linux 为每个文件分配：
- 索引节点(inode): 文件的唯一标识。记录文件 metadata。持久化到磁盘上。
- 目录项(dentry): 目录结构的内部缓存。
磁盘的最小读取单位是扇区，为了提高效率，将连续的扇区组成逻辑块，每次以逻辑块为最小单元来操作数据。超级块，用来记录文件系统整体状态，如 inode 和逻辑块的使用情况。
磁盘
- HDD: 机械磁盘，移动读写磁头，定位磁道。最小单位扇区 512B。
- SSD: 固态磁盘，不需要磁道寻址。随机读写产生大量的垃圾回收。最小单位扇区 4KB。组成逻辑块后可以预读。
不同的磁盘组合方式会有不同的存储架构设计。如
- RAID: 多块磁盘组合成一个逻辑磁盘，构成冗余独立磁盘阵列。Redundant Array of Independent Disks。
- NFS: 组成网络磁盘存储集群。
