性能分析案例——虚拟机内存性能不符合预期？

背景

有小伙伴反馈在其实验室环境中， 通过sysbench工具测试，虚拟机上的内存性能指标只有其物理机的一半左右：

测试命令：sysbench --test=memory run

先说结论：测试工具和环境差异造成，实际性能并无差异

问题推导

理论上是否可能存在这么大的差异？

现代CPU的内存管理功能中有硬件辅助虚拟化技术，比如Intel的EPT（扩展页表）。在内存分配阶段，虚拟机的缺页异常会引发VM exit到宿主机，在宿主机上实际分配内存并建立EPT页表，这里确实会有一些额外的开销。然而内存分配完毕之后，虚拟机访问内存时，会直接通过硬件支持实现虚拟地址到宿主机物理地址的转换，并且还可以利用TLB实现虚拟地址到最终物理地址的转换加速，与只使用物理机环境并无额外的开销。

ept

通常的内存benchmark工具，都是预先分配一块内存之后反复读写，这种情况下，理论上虚拟机和物理机的内存读写性能是没有差异的。

理论上没这么大差距的话，那可能是什么原因导致的差异？

理论上虚拟机和物理机在已分配内存后读写性能几乎无差别，那么差异就可能产生在两个地方：工具问题或者是OS问题。

我们首先从工具入手，业界对于内存基准性能测试使用比较多的是stream。编译好同一个stream二进制，分别在物理机和虚拟机执行，得到的数据是相同的：不存在所谓的性能差异。

那么问题缩小到sysbench这个工具本身在不同环境执行的差异上了。

sysbench数据差异原因分析

sysbench版本：1.0.20

测试命令：sysbench --test=memory run

某业务物理机测试数据：4158.16 MiB/sec

某业务虚拟机测试数据： 2850.51 MiB/sec

在执行sysbench命令时，我们使用perf top -p xxx 命令查看热点函数堆栈：

物理机的perf输出：

物理机perf

虚拟机的perf输出：

虚拟机perf

从top输出可以很清晰地看到，虚拟机上的clock_gettime和vdso_clock_gettime函数的cpu占比高了50%左右（55.40% vs 34.72%)，cpu消耗了更多的时间在这些函数执行上，只有更少的时间在真正的内存读写操作，所以得到的数据偏低。

那么，是什么原因导致了__vdso_clock_gettime的性能差异呢？

首先弄清楚什么是 vdso, vDSO(virtual dynamic shared object)，是内核提供的一种加速机制，可以让用户态程序不通过系统调用而能执行内核里的函数，在进程加载时，自动加入进程的地址空间。简单地说，就是内核提供了一个简单的函数库给用户态程序使用。

我们来看看centos 7.4的3.10.0-693.el7内核版本中的__vdso_clock_gettime函数的实现：

image.png

sysbench调用clock_gettime的方式为clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, tsp)。于是顺着如下调用链：

代码语言：txt复制

 __vdso_clock_gettime -> do_monotonic -> vgetsns

我们再来看vgetns的实现：

image.png

从vgetns我们可知，clock_gettime最终会根据不同的时钟源调用不同的vread函数。

尝试将虚拟机的时钟源调整为tsc：

代码语言：txt复制

 echo tsc > /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/current_clocksource

之后再执行sysbench, 发现指标效果有了很大提升(从2850.51 MiB/sec到4134.65 MiB/sec），如此可以确定是虚拟机里面的vread_pvclock性能问题导致的结果差异。

实际上，通过代码查找，我们发现linux内核4.5版本已经对pvclock的代码做了优化https://github.com/torvalds/linux/commit/6b078f5de7fc0851af4102493c7b5bb07e49c4cb

代码语言：txt复制

Before, vclock_gettime using kvm-clock took about 45ns on my
machine. With this change, it takes 29ns, which is almost as
fast as the pure TSC implementation.

该优化也被redhat backport到了3.10.0-862版本中(对应centos 7.5版本)。

将虚拟机的内核版本升级到3.10.0-862.el7之后，再执行sysbench，得到的数据和物理机一致，至此问题解决。

总结

1. 借助硬件辅助虚拟化技术，物理机与其上的虚拟机内存读写性能几乎没差异
2. 发现性能差异，先根据理论做一个最初假设推断。
3. 针对“不符合预期”的性能差异，可以通过perf/strace等工具深入分析性能表现。
4. 分析性能问题首要条件是保证环境一致，若环境不一致，那么可以从环境的差异性来入手分析可能导致性能差异的原因。

文章来源：腾讯云服务器专家服务团队，转载请注明出处。

kernel linux 虚拟化

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