Linux性能测试之性能测试指标详解

原文https://blog.csdn.net/u010521062/article/details/115908166

性能测试指标是衡量系统性能的评价标准，常用的系统性能测试指标包括：响应时间、并发用户 / 并发、点击率、吞吐量、TPS/QPS、PV/UV；Linux 服务器常用的性能指标包括：CPU 使用率、内存占用率、磁盘 IO、系统平均负载等。

一系统性能测试指标

1.1 响应时间

响应时间是指某个请求或操作从发出到接收到反馈所消耗的时间，包括应用服务器（客户端）处理时间、网络传输时间以及数据库服务器处理时间。比如一个页面从点击 / 输入到完全加载的时间；完成一次增加、删除、修改或者查询动作的事务响应时间等。
一个请求在网络上的传输往往要经历多个网络节点才能到达目标服务器，我们假设请求经历了三个网络节点的传输时间 B1、B2、B3，客户端的处理时间为 A，服务器的响应时间为 C。则一次请求的完整路径可以描述为下图：

客户端从发出请求到接收到服务器反馈的完整链路时间为 A—>B1—>B2—>B3—>C（节点处理时间都包括接收和发送两个过程）。则请求的响应时间为：

响应时间 = A B1 B2 B3 C

1.2 并发

并发是指多个用户在同一时期内进行相同的事务处理或操作。由于用户在进行一系列操作流程时有一定的时间间隔（即用户思考时间）或者服务器处理请求有先后顺序，于是，就产生了绝对并发和相对并发概念的区分。

绝对并发是指同一时刻（即同一时间点）并发用户对服务器同时发送请求。

相对并发是指一段时间内（即同一时间区间）并发用户对服务器发送请求。

举个例子，一个并发量为 10000 人（可同时容纳 10000 人）的动物园，这里的并发量是指绝对并发还是相对并发呢？我们很容易理解，这个并发指的是相对并发，因为整个动物园是一个交织的网状结构，出入口、老虎、狮子、大象等各个动物站点都有分流的作用，基本不可能出现出入口或者站点能够同时承载 10000 人的情况，出入口的并发可能只有 200 人。因此这个动物园的例子里，并发量 10000 是指各个节点的总和，参观者参观动物园有路径的先后顺序，是相对并发的概念。而出入口的并发量是 200 人，则是指同一时间在出入口能够同时容纳 200 人，这就是绝对并发的概念。

一般来说，在系统的性能测试中，系统或者模块的并发更多是指相对并发，而接口的并发更倾向于绝对并发。并发性能的概念是指系统、模块或接口稳定运行，不抛出异常情况下所能够承载的并发量。
在并发性能测试中常用到并发用户数和并发请求数两个指标。顾名思义，并发用户数是指同一时间（点或区间），系统、模块或接口能够承载的用户数量；并发请求数是指同一时间（点或区间），系统、模块或接口能够承载的请求数量。

1.3 点击量 / 点击率

点击量是衡量网站流量的一个指标，也就是点击数 clicks，是对网站点击数据的统计。
点击率（Clicks Ratio）也可以叫做点进率（“Click-through Rate），它是网站上某一内容被点击的次数与整个网站内容被显示次数之比，即 clicks/views。反应了网站上某一页面或内容的受关注程度，经常用来衡量广告的吸引程度。比如公众号的一篇文章被浏览了 10w 次，文章中的广告链接被点击了 2000 次，那么这条广告的点击率是 2%（2000/100000*100%）。
在性能测试领域，点击率（hit rate）常指单位时间内（每秒钟）页面的点击数，即每秒钟发送的 http 请求数量，点击率越大对服务器造成的压力也越大，对服务器的性能要求也越高。
有些人容易混淆点击率和点击量的概念，比如我们经常会听到有人说某网站的点击率是多多万，实际上这里的点击率指的是点击量，曝光率或者说页面浏览量。

1.4 吞吐量 / 吞吐率

吞吐量是指系统处理客户请求数量的总和，可以指网络上传输数据包的总和，也可以指业务中客户端与服务器交互数据量的总和。
吞吐率是指单位时间内系统处理客户请求的数量，也就是单位时间内的吞吐量。可以从多个维度衡量吞吐率：①业务角度：单位时间（每秒）的请求数或页面数，即请求数 / 秒或页面数 / 秒；②网络角度：单位时间（每秒）网络中传输的数据包大小，即字节数 / 秒等；③系统角度，单位时间内服务器所承受的压力，即系统的负载能力。

吞吐率（或吞吐量）是一种多维度量的性能指标，它与请求处理所消耗的 CPU、内存、IO 和网络带宽都强相关。

1.5 TPS/QPS

TPS（Transaction Per Second）是指单位时间（每秒）系统处理的事务量。事务可以是用户自定义的一系列操作或者动作的集合，比如 “用户注册 “事务是点击注册按钮，填写用户注册信息，点击提交按钮，以及加载注册成功页面的动作集合。
QPS（Query Per Second）是指单位时间内查询或访问服务器的次数。
TPS 和 QPS 的区别在于一个事务可以包含多次查询或访问服务器，也可以只查询或访问一次服务器。当多次查询或访问时，一个 TPS 相当于多个 QPS；当只查询或访问一次时，一个 TPS 则等价于一个 QPS。

1.6 PV/UV

PV 和 UV 是衡量 web 网站性能容量的两个重要度量指标，经常用在电子商务网站领域中用来衡量网站的活跃度。
PV（Page View）是页面的浏览量或点击量，用户对系统或者网站任何页面的每一次点击或者访问都会被记录一次浏览量或点击量，对相同页面进行多次访问浏览量或点击量也会进行累计。
UV（Unique Vistor）是系统或者网站的独立访客，一段时间内相同客户端（或 PC）访问系统或者网站只会被记录一次，连续重复访问或者浏览多个系统页面次数不会进行累计。
PV 和 UV 按照统计周期划分，可以划分为全天 PV、每小时 PV、全天 UV 和每小时 UV 等。在一些数据或交易量非常庞大的场景中，比如双 11 或 618 等全民购物活动时，常常还会统计峰值 PV 和峰值 UV。

二 Linux 服务器性能指标

2.1 CPU 使用率

CPU 使用率是单位时间内服务器 CPU 的使用统计，可以用除 CPU 空闲时间外其他时间占总 CPU 时间的百分比来表示，即：CPU 使用率 = 1-CPU 空闲时间 / 总 CPU 时间
命令：#top //top 工具间隔 3s 会动态滚动更新一次数据

字段说明：

us (user)：用户态的 CPU 使用时间比例，是用户运行程序的真正时间，它不包括后面的 ni 时间；
sy (system): 内核态的 CPU 使用时间比例，是操作系统的运行时间，操作系统运行时，用户运行程序往往处于等待状态；
ni (nice): 表示低优先级用户态的 CPU 时间比例，取值范围为 [-20,19]，数值越大，则优先级越低；
id (idle): 表示空闲的 CPU 时间比例，值越大，CPU 空闲时间比例越高，利用率越低；
wa (iowait): 表示处于 IO 等待状态的 CPU 时间比例；
hi (hard interrupt): 表示处理硬中断的 CPU 时间比例；
si (soft interrupt): 与 hi 相反，表示处理软中断的 CPU 时间比例；
st (steal): 表示当前系统运行在虚拟机中被其他虚拟机占用的 CPU 时间比例。

在性能测试中，系统整体的 CPU 使用率可以用（1-id）来计算。当 us 很高时，说明 CPU 时间主要消耗在用户代码上，可以从用户代码角度考虑优化性能；当 sy 很高时，说明 CPU 时间主要消耗在内核上，可以从是否系统调用频繁、CPU 进程或线程切换频繁角度考虑性能的优化；当 wa 很高时，说明有进程在进行频繁的 IO 操作，可能是磁盘 IO 或者网络 IO。
一般情况下，如果 %us %sy<=70%，我们可以认为系统的运行状态良好。

2.2 [内存]占用率

Linux 的系统内存管理机制遵循内存利用率最大化的原则。内核会将空余的内存划分为 cached（不属于 free），对于有频繁读取操作的文件或数据会被保存在 cached 中。因此，对于 linux 系统来说，可用于分配的内存不止 free 的内存，同时还包括 cached 的内存（其实还包括 buffers 的内存）。
cached 和 buffers 都属于缓存，它们的区别主要在于 cached 主要用来缓冲频繁读取的文件，它可以直接记忆我们打开的文件内容；而 buffers 主要用来给块设备做的缓冲大小，只记录文件系统的 metadata 以及 tracking in-flight pages 信息，比如存储目录里面的内容，权限等。
top 工具既可以查看系统 CPU 使用情况，也可以查看系统内存使用信息。
命令：#top

在性能测试中，经常会用到系统已用内存、物理已用内存、系统内存占用率以及物理内存占用率这几个指标，它们的计算公式如下：

系统已用内存 MemUsed=MemTotal-MemFree // 包含 buffers 和 cached
物理已用内存 -/ Used= MemTotal-MemFree-MemBuffers-MemCached
系统内存占用率 MemUsed%=（MemUsed/ MemTotal）*100%
物理内存占用率 -/ Used%=(-/ Used/ MemTotal）*100%

一般情况下，系统内存占用率 <=70%，我们可以认为系统的内存使用情况良好，如果超出则说明系统内存资源紧张。

2.3 系统平均负载

当发现系统出现卡断或者运行不顺畅时，我们可以通过 uptime，top 或者 w 命令来查看系统的负载情况。

命令 1：#uptime

命令 2：#top

命令 3：#w

Linux 的 load average 表示系统负载的平均值，显示的三个数值分别表示 1 分钟、5 分钟和 15 分钟内的平均负载情况。这里的平均负载是指单位时间内，系统处于可运行状态和不可中断状态的平均进程数，可以简单的理解为平均负载就是系统平均活跃进程数。其中可运行状态是指正在使用 CPU 或者正在等待 CPU 的进程（处于 R 状态：Running 或者 Runnable 的进程）；不可中断状态的进程指的是正处于内核态关键流程中的进程，处于这个流程的进程是不可打断的，比如等待硬件设备的 I/O 响应。
举个例子，当平均负载的值为 4：

对于只有 1 个 CPU 的系统，意味着平均有 3 个进程竞争不到 CPU；
对于拥有 4 个 CPU 的系统，意味着 CPU 利用率为 100%；
对于拥有 8 个 CPU 的系统，意味着 CPU 利用率为 50%，有一半空闲。

可以看出，当系统平均负载的值如果超过系统 CPU 的数量时，那么系统有可能会遇到性能瓶颈，要视具体情况而定。
在性能测试中，我们也经常会通过比较 1min、5min 或者 15min 的值，来判断系统平均负载的变化情况：

如果 1min 的值大于 5min 或者 15min 的值，说明负载在增加；
如果 1min 的值小于 5min 或者 15min 的值，说明负载在减小；

2.4 磁盘 IO

Linux 服务器性能除了 CPU 和内存外，还有磁盘 IO 也是一种常用的性能指标。

命令：#iostat –x –k 2 3 // 每隔 2S 输出磁盘 IO 的使用情况，共采样 3 次

通过 ll /dev/mapper 命令可以查看 dm-x 与磁盘逻辑卷的映射关系;

字段说明：

rrqm/s:每秒对该设备的读请求被合并次数，文件系统会对读取同块(block)的请求进行合并；
wrqm/s:每秒对该设备的写请求被合并次数；
r/s:每秒完成的读次数；
w/s:每秒完成的写次数；
rkB/s:每秒读数据量(kB为单位)；
wkB/s:每秒写数据量(kB为单位)；
avgrq-sz:平均每次IO操作的数据量(扇区数为单位)；
avgqu-sz:平均等待处理的IO请求队列长度；
await:平均每次IO请求等待时间(包括等待时间和处理时间，毫秒为单位)；
svctm:平均每次IO请求的处理时间(毫秒为单位)；
%util:采用周期内用于IO操作的时间比率，即IO队列非空的时间比率；

在性能测试中，我们可以重点关注iowait%和%util参数。其中iowait%表示CPU等待IO时间占整个CPU周期的百分比，如果iowait值超过50%，或者明显大于%system、%user以及%idle，表示IO可能存在问题了；%util表示磁盘忙碌的情况，一般%util<=70%表示该磁盘IO使用状态良好。