系統(tǒng)性能的調(diào)優(yōu)：LAMP架構(gòu)
現(xiàn)在，使用 LAMP(Linux®、Apache、MySQL 和 PHP/Perl)架構(gòu)的應(yīng)用程序不斷被開發(fā)和部署。 但是，服務(wù)器管理員對應(yīng)用程序本身幾乎沒有控制能力，因?yàn)閼?yīng)用程序是別人編寫的。這份共三部分的系列文章將討論許多服務(wù)器配置問題，這些配置會影響應(yīng)用程 序的性能。第一篇文章討論 LAMP 架構(gòu)、一些性能度量技術(shù)以及一些基本的 Linux 內(nèi)核、硬盤和文件系統(tǒng)調(diào)節(jié)。后續(xù)的文章將研究 Apache、MySQL 和 PHP 組件的調(diào)優(yōu)。
本文大綱：LAMP 架構(gòu)、 優(yōu)化 Apache 和 PHP、MySQL的調(diào)優(yōu)
Linux、 Apache、MySQL 和 PHP(或 Perl)是許多 Web 應(yīng)用程序的基礎(chǔ) —— 從 to-do 列表到 blog，再到電子商務(wù)站點(diǎn)。WordPress 和 Pligg 是兩個支持大容量 Web 站點(diǎn)的常用軟件包。這種架構(gòu)簡稱為 LAMP。幾乎每個 Linux 發(fā)布版都包含 Apache、MySQL、PHP 和 Perl，所以安裝 LAMP 軟件是非常容易的。
安裝的簡便性使人誤以為這些軟件會自行順利地運(yùn)行，但是實(shí)際情況并非如此。最終，應(yīng)用程序的負(fù)載會超出后端服務(wù)器自帶設(shè)置的處理能力，應(yīng)用程序的性能會降低。LAMP 安裝需要不斷監(jiān)控、調(diào)優(yōu)和評估。
系統(tǒng)調(diào)優(yōu)對于不同的人有不同的含義。本系列主要關(guān)注 LAMP 組件(Linux、Apache、MySQL 和 PHP)的調(diào)優(yōu)。對應(yīng)用程序本身進(jìn)行調(diào)優(yōu)是另一個復(fù)雜的問題。應(yīng)用程序和后端服務(wù)器之間存在一種共生關(guān)系：未能適當(dāng)調(diào)優(yōu)的服務(wù)器甚至?xí)棺詈玫膽?yīng)用程序在 負(fù)載之下崩潰，而借助充分的調(diào)優(yōu)，完全可以避免編寫得很糟糕的應(yīng)用程序使服務(wù)器緩慢如牛。幸運(yùn)的是，正確的系統(tǒng)調(diào)優(yōu)和監(jiān)視可以指出應(yīng)用程序中的問題。
系統(tǒng)性能調(diào)優(yōu)，第1 部分: 理解 LAMP 架構(gòu)
LAMP 架構(gòu)
對任何系統(tǒng)調(diào)優(yōu)的第一步都是了解它的工作原理。按照最簡單的形式，基于 LAMP 的應(yīng)用程序是用 PHP 這樣的腳本語言編寫的，它們作為 Linux 主機(jī)上運(yùn)行的 Apache Web 服務(wù)器的一部分運(yùn)行。
PHP 應(yīng)用程序通過請求的 URL、所有表單數(shù)據(jù)和已捕獲的任意會話信息從客戶機(jī)獲得信息，從而確定應(yīng)該執(zhí)行什么操作。如有必要，服務(wù)器會從 MySQL 數(shù)據(jù)庫(也在 Linux 上運(yùn)行)獲得信息，將這些信息與一些 Hypertext Markup Language(HTML)模板組合在一起，并將結(jié)果返回給客戶機(jī)。當(dāng)用戶在應(yīng)用程序中導(dǎo)航時，這個過程重復(fù)進(jìn)行;當(dāng)多個用戶訪問系統(tǒng)時，這個過程會并 發(fā)進(jìn)行。但是，數(shù)據(jù)流不是單向的，因?yàn)榭梢杂脕碜杂脩舻男畔⒏聰?shù)據(jù)庫，包括會話數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(包括投票)和用戶提交的內(nèi)容(比如評論或站點(diǎn)更新)。除了動態(tài)元素之外，還有靜態(tài)元素，比如圖像、JavaScript 代碼和層疊樣式表(CSS)。
在研究 LAMP 系統(tǒng)中的請求流之后，就來看看可能出現(xiàn)性能瓶頸的地方。數(shù)據(jù)庫提供許多動態(tài)信息，所以數(shù)據(jù)庫對查詢的響應(yīng)延遲都會反映在客戶機(jī)中。Web 服務(wù)器必須能夠快速地執(zhí)行腳本，還要能夠處理多個并發(fā)請求。最后，底層操作系統(tǒng)必須處于良好的狀態(tài)才能支持應(yīng)用程序。通過網(wǎng)絡(luò)在不同服務(wù)器之間共享文件的 其他設(shè)置也可能成為瓶頸。
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度量性能
持續(xù)地對性能進(jìn)行度量在兩個方面有幫助。首先，度量可以幫助了解性能趨勢，包括好壞兩方面的趨勢。作為一個簡單的方法，查看一下 Web 服務(wù)器上的中央處理單元(CPU)使用率，就可以了解 CPU 是否負(fù)載過重。同樣，查看過去使用的總帶寬并推斷未來的變化，可以幫助判斷什么時候需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)升級。這些度量最好與其他度量和觀測結(jié)合考慮。例如，當(dāng)用 戶抱怨應(yīng)用程序太慢時，可以檢查磁盤操作是否達(dá)到了最大容量。
性能度量的第二個用途是，判斷調(diào)優(yōu)是對系統(tǒng)性能 有幫助，還是使它更糟糕了。方法是比較修改之前和之后的度量結(jié)果。但是，為了進(jìn)行有效的比較，每次應(yīng)該只修改一個設(shè)置，然后對適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)進(jìn)行比較以判斷修 改的效果。每次只修改一個設(shè)置的原因應(yīng)該是很明顯的：同時做出的兩個修改很可能會相互影響。選擇用來進(jìn)行比較的指標(biāo)比較微妙。
選擇的指標(biāo)必須能夠反映應(yīng)用程序用戶感覺到的響應(yīng)。如果一項(xiàng)修改的目標(biāo)是減少數(shù)據(jù)庫的內(nèi)存占用量，那么取消各種緩沖區(qū)肯定會有幫助，但是這會犧牲查詢速度和 應(yīng)用程序性能。所以，應(yīng)該選擇應(yīng)用程序響應(yīng)時間這樣的指標(biāo)，這會使調(diào)優(yōu)向著正確的方向發(fā)展，而不僅僅是針對數(shù)據(jù)庫內(nèi)存使用量。
可以以許多方式度量應(yīng)用程序響應(yīng)時間。最簡單的方法可能是使用 curl 命令，見清單 1。
清單 1. 使用 cURL 度量 Web 站點(diǎn)的響應(yīng)時間
- $ curl -o /dev/null -s -w %{time_connect}:%{time_starttransfer}:%{time_total}\ http://www.canada.com0.081:0.272:0.779
清單 1 給出對一個流行的新聞?wù)军c(diǎn)執(zhí)行 curl 命令的情況。輸出通常是 HTML 代碼，通過 -o 參數(shù)發(fā)送到 /dev/null。-s 參數(shù)去掉所有狀態(tài)信息。-w 參數(shù)讓 curl 寫出表 1 列出的計(jì)時器的狀態(tài)信息：
表 1. curl 使用的計(jì)時器
計(jì)時器描述
time_connect建立到服務(wù)器的 TCP 連接所用的時間
time_starttransfer在發(fā)出請求之后，Web 服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)的第一個字節(jié)所用的時間
time_total完成請求所用的時間
這 些計(jì)時器都相對于事務(wù)的起始時間，甚至要先于 Domain Name Service(DNS)查詢。因此，在發(fā)出請求之后，Web 服務(wù)器處理請求并開始發(fā)回?cái)?shù)據(jù)所用的時間是 0.272 - 0.081 = 0.191 秒?？蛻魴C(jī)從服務(wù)器下載數(shù)據(jù)所用的時間是 0.779 - 0.272 = 0.507 秒。
通過觀察 curl 數(shù)據(jù)及其隨時間變化的趨勢，可以很好地了解站點(diǎn)對用戶的響應(yīng)性。
當(dāng)然，Web 站點(diǎn)不僅僅由頁面組成。它還有圖像、JavaScript 代碼、CSS 和 cookie 要處理。curl 很適合了解單一元素的響應(yīng)時間，但是有時候需要了解整個頁面的裝載速度。
用于 Firefox 瀏覽器的 Tamper Data 擴(kuò)展(參見 參考資料 一節(jié)中的鏈接)可以在日志中記錄 Web 瀏覽器發(fā)出的每個請求，并顯示每個請求所用的下載時間。使用這個擴(kuò)展的方法是，選擇 Tools > Tamper Data 來打開 Ongoing requests 窗口。裝載要考察的頁面，然后就會看到瀏覽器發(fā)出的每個請求的狀態(tài)和裝載每個元素所用的時間。圖 1 給出裝載 developerWorks 主頁的結(jié)果。
圖 1. 用于裝載 developerWorks 主頁的請求細(xì)目
每一行描述一個元素的裝載情況。顯示的數(shù)據(jù)包括發(fā)出請求的時間、裝載所用的時間、大小和結(jié)果。Duration 欄列出裝載元素本身所用的時間，Total Duration 欄列出所有子元素所用的時間。在圖 1 中，裝載主要頁面所用的時間是 516 毫秒(ms)，但是裝載所有東西并顯示整個頁面所用的時間是 5101 ms。
Tamper Data 擴(kuò)展有一種有用的模式，將頁面裝載數(shù)據(jù)的輸出繪制成圖形。右擊 Ongoing requests 窗口上半部分的任何地方，并選擇 Graph all。圖 2 顯示圖 1 中數(shù)據(jù)的圖形化視圖。
圖 2. 用于裝載 developerWorks 主頁的請求的圖形化視圖
在圖 2 中，每個請求的持續(xù)時間顯示為深藍(lán)色，并相對于頁面裝載的啟始時間顯示。所以，可以看出哪些請求使整個頁面的裝載變慢了。
盡管關(guān)注的重點(diǎn)是頁面裝載時間和用戶體驗(yàn)，但是也不要忽視核心系統(tǒng)指標(biāo)，比如磁盤、內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)。有許多實(shí)用程序可以捕獲這些信息;其中最有幫助的可能是 sar、vmstat 和 iostat。
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基本系統(tǒng)調(diào)節(jié)
在對系統(tǒng)的 Apache、PHP 和 MySQL 組件進(jìn)行調(diào)優(yōu)之前，應(yīng)該花一些時間確保底層 Linux 組件的運(yùn)行正常。還應(yīng)該對正在運(yùn)行的服務(wù)進(jìn)行縮減，只運(yùn)行需要的那些服務(wù)。這不但是一種良好的安全實(shí)踐，而且可以節(jié)省內(nèi)存和 CPU 時間。
內(nèi)核調(diào)優(yōu)措施
大多數(shù) Linux 發(fā)布版都定義了適當(dāng)?shù)木彌_區(qū)和其他 Transmission Control Protocol(TCP)參數(shù)?？梢孕薷倪@些參數(shù)來分配更多的內(nèi)存，從而改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)性能。設(shè)置內(nèi)核參數(shù)的方法是通過 proc 接口，也就是通過讀寫 /proc 中的值。幸運(yùn)的是，sysctl 可以讀取 /etc/sysctl.conf 中的值并根據(jù)需要填充 /proc，這樣就能夠更輕松地管理這些參數(shù)。清單 2 展示在互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器上應(yīng)用于 Internet 服務(wù)器的一些比較激進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。
清單 2. 包含較為激進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的 /etc/sysctl.conf
- # Use TCP syncookies when needednet.ipv4.tcp_syncookies = 1# Enable TCP window scalingnet.ipv4.tcp_window_scaling: = 1# Increase TCP max buffer sizenet.core.rmem_max = 16777216net.core.wmem_max = 16777216# Increase Linux autotuning TCP buffer limitsnet.ipv4.tcp_rmem = 4096 87380 16777216 net.ipv4.tcp_wmem = 4096 65536 16777216# Increase number of ports availablenet.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65000
將這些設(shè)置添加到 /etc/sysctl.conf 的現(xiàn)有內(nèi)容中。第一個設(shè)置啟用 TCP SYN cookie。當(dāng)從客戶機(jī)發(fā)來新的 TCP 連接時，數(shù)據(jù)包設(shè)置了 SYN 位，服務(wù)器就為這個半開的連接創(chuàng)建一個條目，并用一個 SYN-ACK 數(shù)據(jù)包進(jìn)行響應(yīng)。在正常操作中，遠(yuǎn)程客戶機(jī)用一個 ACK 數(shù)據(jù)包進(jìn)行響應(yīng)，這會使半開的連接轉(zhuǎn)換為全開的。有一種稱為 SYN 泛濫(SYN flood) 的網(wǎng)絡(luò)攻擊，它使 ACK 數(shù)據(jù)包無法返回，導(dǎo)致服務(wù)器用光內(nèi)存空間，無法處理到來的連接。SYN cookie 特性可以識別出這種情況，并使用一種優(yōu)雅的方法保留隊(duì)列中的空間(細(xì)節(jié)參見 參考資料 一節(jié))。大多數(shù)系統(tǒng)都默認(rèn)啟用這個特性，但是確保配置這個特性更可靠。
啟用 TCP 窗口伸縮使客戶機(jī)能夠以更高的速度下載數(shù)據(jù)。TCP 允許在未從遠(yuǎn)程端收到確認(rèn)的情況下發(fā)送多個數(shù)據(jù)包，默認(rèn)設(shè)置是最多 64 KB，在與延遲比較大的遠(yuǎn)程客戶機(jī)進(jìn)行通信時這個設(shè)置可能不夠。窗口伸縮會在頭中啟用更多的位，從而增加窗口大小。
后面四個配置項(xiàng)增加 TCP 發(fā)送和接收緩沖區(qū)。這使應(yīng)用程序可以更快地丟掉它的數(shù)據(jù)，從而為另一個請求服務(wù)。還可以強(qiáng)化遠(yuǎn)程客戶機(jī)在服務(wù)器繁忙時發(fā)送數(shù)據(jù)的能力。
最后一個配置項(xiàng)增加可用的本地端口數(shù)量，這樣就增加了可以同時服務(wù)的最大連接數(shù)量。
在下一次引導(dǎo)系統(tǒng)時，或者下一次運(yùn)行 sysctl -p /etc/sysctl.conf 時，這些設(shè)置就會生效。
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配置磁盤來提高性能
磁盤在 LAMP 架構(gòu)中扮演著重要的角色。靜態(tài)文件、模板和代碼都來自磁盤，組成數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表和索引也來自磁盤。對磁盤的許多調(diào)優(yōu)(尤其是對于數(shù)據(jù)庫)集中于避免磁盤訪問，因?yàn)榇疟P訪問的延遲相當(dāng)高。因此，花一些時間對磁盤硬件進(jìn)行優(yōu)化是有意義的。
首先要做的是，確保在文件系統(tǒng)上禁用 atime 日志記錄特性。atime 是最近訪問文件的時間，每當(dāng)訪問文件時，底層文件系統(tǒng)必須記錄這個時間戳。因?yàn)橄到y(tǒng)管理員很少使用 atime，禁用它可以減少磁盤訪問時間。禁用這個特性的方法是，在 /etc/fstab 的第四列中添加 noatime 選項(xiàng)。清單 3 給出了一個配置示例。
清單 3. 演示如何啟用 noatime 的 fstab 示例
- /dev/VolGroup00/LogVol00 / ext3 defaults,noatime 1 1LABEL=/boot /boot ext3 defaults,noatime 1 2devpts /dev/pts devpts gid=5,mode=620 0 0tmpfs /dev/shm tmpfs defaults 0 0proc /proc proc defaults 0 0sysfs /sys sysfs defaults 0 0LABEL=SWAP-hdb2 swap swap defaults 0 0LABEL=SWAP-hda3 swap swap defaults 0 0
在清單 3 中只修改了 ext3 文件系統(tǒng)，因?yàn)?noatime 只對駐留在磁盤上的文件系統(tǒng)有幫助。為讓這一修改生效，不需要重新引導(dǎo);只需重新掛裝每個文件系統(tǒng)。例如，為了重新掛裝根文件系統(tǒng)，運(yùn)行 mount / -o remount。
有多種磁盤硬件組合，而且 Linux 不一定能夠探測出訪問磁盤的最佳方式?？梢允褂?hdparm 命令查明和設(shè)置用來訪問 IDE 磁盤的方法。hdparm -t /path/to/device 執(zhí)行速度測試，可以將這個測試結(jié)果作為性能基準(zhǔn)。為了使結(jié)果盡可能準(zhǔn)確，在運(yùn)行這個命令時系統(tǒng)應(yīng)該是空閑的。清單 4 給出在 hda 上執(zhí)行速度測試的結(jié)果。
清單 4. 在 /dev/hd 上執(zhí)行的速度測試
- # hdparm -t /dev/hda/dev/hda: Timing buffered disk reads: 182 MB in 3.02 seconds = 60.31 MB/sec
這一測試說明，在這個磁盤上讀取數(shù)據(jù)的速度是大約每秒 60 MB。
在嘗試一些磁盤調(diào)優(yōu)選項(xiàng)之前，必須注意一個問題。錯誤的設(shè)置可能損害文件系統(tǒng)。有時候會出現(xiàn)一個警告，指出這個選項(xiàng)與硬件不兼容;但是，有時候沒有警告消息。因此，在將系統(tǒng)投入生產(chǎn)之前，必須對設(shè)置進(jìn)行徹底的測試。在所有服務(wù)器上都采用標(biāo)準(zhǔn)的硬件也會有所幫助。
表 2 列出比較常用的一些選項(xiàng)。
表 2. hdparm 的常用選項(xiàng)
選項(xiàng)描述
-vi向磁盤查詢它支持的設(shè)置以及它正在使用的設(shè)置。
-c查詢/啟用 (E)IDE 32 位 I/O 支持。hdparm -c 1 /dev/hda 啟用這個設(shè)置。
-m查詢/設(shè)置每中斷多扇區(qū)模式。如果設(shè)置大于零，設(shè)置值就是每個中斷可以傳輸?shù)淖畲笊葏^(qū)數(shù)量。
-d 1 -X啟用直接內(nèi)存訪問(DMA)傳輸并設(shè)置 IDE 傳輸模式。hdparm 手冊頁詳細(xì)說明了在 -X 后面可以設(shè)置的數(shù)字。只有在 -vi 說明目前并未使用最快速的模式的情況下，才需要進(jìn)行這個設(shè)置。
不幸的是，對于 Fiber Channel and Small Computer Systems Interface(SCSI)系統(tǒng)，調(diào)優(yōu)依賴于具體的驅(qū)動器。
必須將有幫助的設(shè)置添加到啟動腳本中，比如 rc.local。
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網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)調(diào)優(yōu)
網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(NFS)是一種通過網(wǎng)絡(luò)共享磁盤的方法。NFS 可以幫助確保每個主機(jī)具有相同數(shù)據(jù)的拷貝，并確保修改反映在所有節(jié)點(diǎn)上。但是，在默認(rèn)情況下，NFS 的配置不適合大容量磁盤。
每個客戶機(jī)應(yīng)該用 rsize=32768,wsize=32768,intr,noatime 掛裝遠(yuǎn)程文件系統(tǒng)，從而確保：
使用大的讀/寫塊(數(shù)字指定最大塊大小，在這個示例中是 32KB)。
在掛起時 NFS 操作可以被中斷。
不持續(xù)更新 atime。
可以將這些設(shè)置放在 /etc/fstab 中，見 清單 3。如果使用自動掛裝器，那么應(yīng)該將這些設(shè)置放在適當(dāng)?shù)?/etc/auto.* 文件中。
在服務(wù)器端，一定要確保有足夠的 NFS 內(nèi)核線程來處理所有客戶機(jī)。在默認(rèn)情況下，只啟動一個線程，但是 Red Hat 和 Fedora 系統(tǒng)會啟動 8 個線程。對于繁忙的 NFS 服務(wù)器，應(yīng)該提高這個數(shù)字，比如 32 或 64?？梢杂?nfsstat -rc 命令評估客戶機(jī)，了解是否有阻塞的現(xiàn)象，這個命令顯示客戶機(jī)遠(yuǎn)程過程調(diào)用(RPC)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。清單 5 顯示一個 Web 服務(wù)器的客戶機(jī)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
清單 5. 顯示 NFS 客戶機(jī)的 RPC 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)
- # nfsstat -rcClient rpc stats:calls retrans authrefrsh1465903813 0 0
第二列 retrans 是零，這表示從上一次重新引導(dǎo)以來沒有出現(xiàn)需要重新傳輸?shù)那闆r。如果這個數(shù)字比較大，就應(yīng)該考慮增加 NFS 內(nèi)核線程。設(shè)置方法是將所需的線程數(shù)量傳遞給 rpc.nfsd，比如 rpc.nfsd 128 會啟動 128 個線程。任何時候都可以進(jìn)行這種設(shè)置。線程會根據(jù)需要啟動或銷毀。同樣，這個設(shè)置應(yīng)該放在啟動腳本中，尤其是在系統(tǒng)上啟用 NFS 的腳本。
關(guān)于 NFS，最后要注意一點(diǎn)：如果可能的話，應(yīng)該避免使用 NFSv2，因?yàn)?NFSv2 的性能比 v3 和 v4 差得多。在現(xiàn)代的 Linux 發(fā)行版中這應(yīng)該不是問題，但是可以在服務(wù)器上檢查 nfsstat 的輸出，了解是否有任何 NFSv2 調(diào)用。
后續(xù)內(nèi)容
本文討論了 LAMP 的一些基本知識以及 LAMP 安裝的一些簡單 Linux 調(diào)優(yōu)措施。除了 NFS 內(nèi)核線程之外，可以設(shè)置本文中討論的參數(shù)，然后就不用理會它們了。本系列中的后兩篇文章主要關(guān)注 Apache、MySQL 和 PHP 調(diào)優(yōu)。這些組件的調(diào)優(yōu)與 Linux 的調(diào)優(yōu)有很大的差異，因?yàn)殡S著通信量的增長、讀寫操作分布情況的變化和應(yīng)用程序的演化，需要不斷重新考察這些參數(shù)。LAMP 架構(gòu)、 優(yōu)化 Apache 和 PHP、MySQL的調(diào)優(yōu)
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