Linux操作系统-性能优化

1. 基础工具

  • top / htop

top          # 实时查看CPU、内存、进程
htop         # 增强版（支持鼠标操作）

关键指标：%CPU（CPU占用）、%MEM（内存占用）、LOAD AVERAGE（系统负载）。

vmstat

vmstat 1     # 每秒输出一次系统状态

关键列：

  • r：等待CPU的进程数（> CPU核数表示过载）。

  • si/so：Swap交换频率（频繁交换说明内存不足）。

iostat

iostat -xz 1 # 查看磁盘I/O

关键指标：%util（磁盘利用率 >80% 表示瓶颈）、await（I/O等待时间）。

netstat / ss

netstat -ant | grep ESTABLISHED | wc -l  # 查看TCP连接数
ss -s        # 统计套接字信息

2. 高级工具

sar（系统活动报告）

sar -u 1 3    # 查看CPU使用率（每秒1次，共3次）
sar -r        # 查看内存使用历史

dstat

dstat -cmsn  # 综合监控CPU、内存、网络、磁盘

三、子系统优化策

1. CPU优化

  • 调整进程优先级

nice -n 19 ./script.sh   # 启动低优先级进程
renice 19 -p PID         # 修改运行中进程的优先级

绑定CPU核心（减少上下文切换）

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

内核参数调整

# 修改/etc/sysctl.conf
kernel.sched_child_runs_first = 1  # 子进程优先调度

2. 内存优化

调整Swap使用策略

# 修改/etc/sysctl.conf
vm.swappiness = 10        # 降低Swap使用倾向（0-100，默认60）
vm.vfs_cache_pressure = 50 # 减少inode缓存回收频率

禁用透明大页（THP

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

3. 磁盘I/O优化

选择合适I/O调度器

# 查看当前调度器
cat /sys/block/sda/queue/scheduler
# 临时修改为deadline调度器（适用于SSD）
echo deadline > /sys/block/sda/queue/scheduler

文件系统优化（ext4）

# 挂载参数：noatime（不记录访问时间）, data=writeback
UUID=xxx / ext4 defaults,noatime,data=writeback 0 1

4. 网络优化

TCP参数调优

# 修改/etc/sysctl.conf
net.core.somaxconn = 4096       # 提高连接队列长度
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30   # 缩短TIME_WAIT超时
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1       # 允许重用TIME_WAIT连接
sysctl -p  # 应用配置

限制连接数

# 使用iptables限制单IP连接数
iptables -A INPUT -p tcp --syn --dport 80 -m connlimit --connlimit-above 50 -j DROP

四、资源限制优化

1. ulimit

修改用户级限制

# 编辑/etc/security/limits.conf
* soft nofile 65535    # 文件描述符软限制
* hard nofile 65535    # 硬限制

2. cgroups（控制组）

限制进程资源

# 创建cgroup（需安装cgroup-tools）
cgcreate -g cpu,memory:/my_group
# 限制CPU使用为50%
cgset -r cpu.cfs_period_us=100000 -r cpu.cfs_quota_us=50000 my_group
# 限制内存为1GB
cgset -r memory.limit_in_bytes=1G my_group
# 将进程加入cgroup
cgexec -g cpu,memory:my_group ./program

五、安全与注意事项

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

  2. 灰度测试：先在测试环境验证参数调整效果。

  3. 避免过度优化：如无明确瓶颈，优先使用默认配置。

六、综合案例

问题描述

Nginx服务器在高并发时出现 Too many open files 错误，TCP连接数超过默认限制。

优化配置

  1. 修改文件描述符限制

# 编辑 /etc/security/limits.conf
* soft nofile 65535
* hard nofile 65535
nginx soft nofile 65535   # 针对Nginx用户单独设置

调整Nginx配置

# /etc/nginx/nginx.conf
worker_rlimit_nofile 65535;  # 与limits.conf一致
events {worker_connections 4096;   # 每个Worker进程连接数
}

内核TCP参数优化

# 编辑 /etc/sysctl.conf
net.core.somaxconn = 65535     # 最大连接队列
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 65535  # SYN队列长度
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1      # 重用TIME_WAIT连接
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30  # 缩短FIN超时
sysctl -p  # 生效配置

验证方法

ss -lnt | grep 'LISTEN'   # 查看监听队列长度
cat /proc/$(pidof nginx)/limits | grep 'open files'  # 确认Nginx进程限制

案例2：Java应用内存溢出导致系统崩溃

问题描述

Tomcat服务频繁触发OOM（Out of Memory），且系统Swap使用率过高

优化配置

  1. 限制JVM堆内存

# 修改Tomcat启动脚本 catalina.sh
export JAVA_OPTS="-Xms2G -Xmx2G -XX:MaxMetaspaceSize=512M"

调整系统Swap策

# 编辑 /etc/sysctl.conf
vm.swappiness = 10       # 降低Swap使用倾向
vm.overcommit_memory = 1 # 允许超量分配内存（谨慎使用）

使用cgroups限制内存

# 创建内存限制组
cgcreate -g memory:/tomcat
cgset -r memory.limit_in_bytes=4G /tomcat
cgset -r memory.memsw.limit_in_bytes=6G /tomcat  # 物理内存+Swap总限制
# 启动Tomcat
cgexec -g memory:tomcat /opt/tomcat/bin/startup.sh

验证方法

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

案例3：磁盘I/O延迟导致数据库性能下降

问题描述

MySQL读写缓慢，iostat 显示磁盘 %util 持续高于90%。

优化配置

切换I/O调度器

# 临时切换为deadline调度器（SSD推荐）
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

调整文件系统挂载参数

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

MySQL配置优化

# /etc/my.cnf
innodb_flush_method = O_DIRECT     # 绕过内核缓存
innodb_io_capacity = 2000          # SSD建议值
innodb_buffer_pool_size = 8G       # 分配足够缓冲池

验证方法

cat /sys/block/sda/queue/scheduler  # 确认调度器
iostat -xm 1                        # 观察%util和await变化
mysql> SHOW GLOBAL STATUS LIKE 'Innodb_buffer_pool%';  # 查看缓冲池命中率

案例4：CPU竞争导致多线程应用性能

问题描述

Python多进程数据处理程序运行缓慢，top 显示CPU在多个核心间频繁切换。

绑定进程到特定CPU核心

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

调整进程优先级

nice -n -20 python3 high_priority_task.py  # 最高优先级（需root）
renice -n 19 -p 1234   # 将运行中的PID=1234进程设为低优先级

禁用CPU节能模式

# 安装cpufrequtils（Debian/Ubuntu）
apt install cpufrequtils
# 设置为性能模式
cpufreq-set -g performance -c 0  # 对每个CPU核心执行

验证方法

mpstat -P ALL 1      # 查看各核心利用率
cpufreq-info         # 确认当前CPU频率策略

案例5：网络丢包导致视频流传输卡顿

问题描述

视频流服务器在传输大流量UDP数据时出现丢包，sar -n UDP 1 显示 idgm/s（输入数据报）超过网卡处理能力。

优化配置

  1. 增大Socket缓冲区

# 编辑 /etc/sysctl.conf
net.core.rmem_max = 67108864   # 接收缓冲区最大值（64MB）
net.core.wmem_max = 67108864   # 发送缓冲区最大值
net.core.netdev_max_backlog = 500000  # 网卡队列长度

2.多队列网卡优化

# 启用RSS（Receive Side Scaling）
ethtool -L eth0 combined 8     # 设置8个队列（需网卡支持）
# 绑定IRQ到不同CPU核心
vi /etc/rc.local
/usr/bin/irqbalance --powerthresh=50  # 启用IRQ平衡

应用层优化（FFmpeg示例）

ffmpeg -i input -c copy -f mpegts udp://target:1234?buffer_size=4194304  # 增大发送缓冲区

验证方法

ethtool -S eth0 | grep rx_dropped  # 查看丢包统计
sar -n UDP 1                       # 监控UDP报文状态
cat /proc/interrupts | grep eth0   # 确认IRQ分布

总结：优化配置原则

精准定位瓶颈：

  • 使用 perf top 分析CPU热点。

  • 通过 dmesg 检查内核OOM或I/O错误日志。

层级化调整：

层级工具/方法
应用层代码优化、连接池配置
运行时JVM参数、Golang GC策略
操作系统sysctl、cgroups、ulimit
硬件/驱动升级SSD、调整RAID级别

自动化监控：

# 使用Prometheus + Grafana监控模板
- node_exporter 采集系统指标  
- alertmanager 配置CPU/内存阈值告警

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