如何利用系统缓存优化程序的运行效率？

缓存命中率

要做成某件事情，结果应该怎么评估？比如说，想利用缓存来提升程序的运行效率，应该怎么评估这个效果呢？换句话说，有没有哪个指标可以衡量缓存使用的好坏呢？

估计是缓存的命中率。所谓缓存命中率，是指直接通过缓存获取数据的请求次数，占所有数据请求次数的百分比。

命中率越高，表示使用缓存带来的收益越高，应用程序的性能也就越好.

实际上，缓存是现在所有高并发系统必需的核心模块，主要作用就是把经常访问的数据（也就是热点数据），提前读入到内存中。这样，下次访问时就可以直接从内存读取数据，而不需要经过硬盘，从而加快应用程序的响应速度。

这些独立的缓存模块通常会提供查询接口，方便我们随时查看缓存的命中情况。不过Linux系统中并没有直接提供这些接口，要介绍一下，cachestat和cachetop，它们正是查看系统缓存命中情况的工具。

● cachestat 提供了整个操作系统缓存的读写命中情况。

● cachetop提供了每个进程的缓存命中情况。

这两个工具都是bcc软件包的一部分，它们基于Linux内核的eBPF（extended Berkeley Packet Filters）机制，来跟踪内核中管理的缓存，并输出缓存的使用和命中情况。

使用cachestat和cachetop前，首先要安装bcc软件包。比如，在Ubuntu系统中，你可以运行下面的命令来安装：

sudo apt-key adv --keyserver http://keyserver.ubuntu.com --recv-keys 4052245BD4284CDD

echo "deb https://repo.iovisor.org/apt/xenial xenial main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/iovisor.list

sudo apt-get update

sudo apt-get install -y bcc-tools libbcc-examples linux-headers-$(uname -r)

注意：bcc-tools 需要内核版本为 4.1 或者更新的版本，如果用的是 CentOS，那就需要手动升级内核版本后再安装。

操作完这些步骤，bcc 提供的所有工具就都安装到 /usr/share/bcc/tools 这个目录中了。bcc 软件包默认不会把这些工具配置到系统的 PATH 路径中，所以自己手动配置：

$ export PATH=$PATH:/usr/share/bcc/tools

配置完，就可以运行 cachestat 和 cachetop 命令了。比如，下面就是一个 cachestat 的运行界面，它以 1 秒的时间间隔，输出了 3 组缓存统计数据：

$ cachestat 1 3

TOTAL MISSES HITS DIRTIES BUFFERS_MB CACHED_MB

2 0 2 1 17 279

2 0 2 1 17 279

2 0 2 1 17 279

可以看到，cachestat的输出其实是一个表格。每行代表一组数据，而每一列代表不同的缓存统计指标。这些指标从左到右依次表示：

● TOTAL，表示总的I/O次数；

● MISSES，表示缓存未命中的次数；

● HITS，表示缓存命中的次数；

● DIRTIES，表示新增到缓存中的脏页数；

● BUFFERS_MB表示 Buffers 的大小，以MB为单位；

● CACHED_MB表示Cache的大小，以MB为单位。

接下来再来看一个cachetop的运行界面：

$ cachetop

11:58:50 Buffers MB: 258 / Cached MB: 347 / Sort: HITS / Order: ascending

PID UID CMD HITS MISSES DIRTIES READ_HIT% WRITE_HIT%

13029 root python 1 0 0 100.0% 0.0%

它的输出跟 top 类似，默认按照缓存的命中次数（HITS）排序，展示了每个进程的缓存命中情况。具体到每一个指标，这里的 HITS、MISSES 和 DIRTIES ，跟 cachestat 里的含义一样，分别代表间隔时间内的缓存命中次数、未命中次数以及新增到缓存中的脏页数。

而 READ_HIT 和 WRITE_HIT ，分别表示读和写的缓存命中率。

除了缓存的命中率外，还有一个指标你可能也会很感兴趣，那就是指定文件在内存中的缓存大小。可以使用 pcstat 这个工具，来查看文件在内存中的缓存大小以及缓存比例。

pcstat 是一个基于 Go 语言开发的工具，所以安装它之前，首先应该安装 Go 语言，可以点击这里下载安装。

安装完 Go 语言，再运行下面的命令安装 pcstat：

$ export GOPATH=~/go

$ export PATH=~/go/bin:$PATH

$ go get http://golang.org/x/sys/unix

$ go get http://github.com/tobert/pcstat/pcstat

全部安装完成后，就可以运行 pcstat 来查看文件的缓存情况了。比如，下面就是一个 pcstat 运行的示例，它展示了 /bin/ls 这个文件的缓存情况：

$ pcstat /bin/ls

+---------+----------------+------------+-----------+---------+

| Name | Size (bytes) | Pages | Cached | Percent |

|---------+----------------+------------+-----------+---------|

| /bin/ls | 133792 | 33 | 0 | 000.000 |

+---------+----------------+------------+-----------+---------+

这个输出中，Cached 就是 /bin/ls 在缓存中的大小，而 Percent 则是缓存的百分比。你看到它们都是 0，这说明 /bin/ls 并不在缓存中。

接着，如果你执行一下 ls 命令，再运行相同的命令来查看的话，就会发现 /bin/ls 都在缓存中了：

$ ls

$ pcstat /bin/ls

+---------+----------------+------------+-----------+---------+

| Name | Size (bytes) | Pages | Cached | Percent |

|---------+----------------+------------+-----------+---------|

| /bin/ls | 133792 | 33 | 33 | 100.000 |

+---------+----------------+------------+-----------+---------+

知道了缓存相应的指标和查看系统缓存的方法后，接下来，我们就进入今天的正式案例。

跟前面的案例一样，今天的案例也是基于 Ubuntu 18.04，当然同样适用于其他的 Linux 系统。

机器配置：2 CPU，8GB 内存。

预先按照上面的步骤安装 bcc 和 pcstat 软件包，并把这些工具的安装路径添加到到 PATH 环境变量中。

预先安装 Docker 软件包，比如 apt-get install http://docker.io

· 案例一

第一个案例，先来看一下上一节提到的 dd 命令。

dd 作为一个磁盘和文件的拷贝工具，经常被拿来测试磁盘或者文件系统的读写性能。不过，既然缓存会影响到性能，如果用 dd 对同一个文件进行多次读取测试，测试的结果会怎么样呢？

首先，打开两个终端，连接到 Ubuntu 机器上，确保 bcc 已经安装配置成功。

然后，使用 dd 命令生成一个临时文件，用于后面的文件读取测试：

# 生成一个 512MB 的临时文件

$ dd if=/dev/sda1 of=file bs=1M count=512

# 清理缓存

$ echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

继续在第一个终端，运行 pcstat 命令，确认刚刚生成的文件不在缓存中。如果一切正常，你会看到 Cached 和 Percent 都是 0:

$ pcstat file

+-------+----------------+------------+-----------+---------+

| Name | Size (bytes) | Pages | Cached | Percent |

|-------+----------------+------------+-----------+---------|

| file | 536870912 | 131072 | 0 | 000.000 |

+-------+----------------+------------+-----------+---------+

还是在第一个终端中，现在运行 cachetop 命令：

# 每隔 5 秒刷新一次数据

$ cachetop 5

这次是第二个终端，运行 dd 命令测试文件的读取速度：

$ dd if=file of=/dev/null bs=1M

512+0 records in

512+0 records out

536870912 bytes (537 MB, 512 MiB) copied, 16.0509 s, 33.4 MB/s

从 dd 的结果可以看出，这个文件的读性能是 33.4 MB/s。由于在 dd 命令运行前已经清理了缓存，所以 dd 命令读取数据时，肯定要通过文件系统从磁盘中读取。

不过，这是不是意味着， dd 所有的读请求都能直接发送到磁盘呢？

再回到第一个终端， 查看 cachetop 界面的缓存命中情况：

PID UID CMD HITS MISSES DIRTIES READ_HIT% WRITE_HIT%

...

3264 root dd 37077 37330 0 49.8% 50.2%

从 cachetop 的结果可以发现，并不是所有的读都落到了磁盘上，事实上读请求的缓存命中率只有 50% 。

接下来，继续尝试相同的测试命令。先切换到第二个终端，再次执行刚才的 dd 命令：

$ dd if=file of=/dev/null bs=1M

512+0 records in

512+0 records out

536870912 bytes (537 MB, 512 MiB) copied, 0.118415 s, 4.5 GB/s

看到这次的结果，有没有点小惊讶？磁盘的读性能居然变成了 4.5 GB/s，比第一次的结果明显高了太多。为什么这次的结果这么好呢？

不妨再回到第一个终端，看看 cachetop 的情况：

10:45:22 Buffers MB: 4 / Cached MB: 719 / Sort: HITS / Order: ascending

PID UID CMD HITS MISSES DIRTIES READ_HIT% WRITE_HIT%

...

32642 root dd 131637 0 0 100.0% 0.0%

显然，cachetop 也有了不小的变化。这次的读的缓存命中率是 100.0%，也就是说这次的 dd 命令全部命中了缓存，所以才会看到那么高的性能。

然后，回到第二个终端，再次执行 pcstat 查看文件 file 的缓存情况：

$ pcstat file

+-------+----------------+------------+-----------+---------+

| Name | Size (bytes) | Pages | Cached | Percent |

|-------+----------------+------------+-----------+---------|

| file | 536870912 | 131072 | 131072 | 100.000 |

+-------+----------------+------------+-----------+---------+

从 pcstat 的结果你可以发现，测试文件 file 已经被全部缓存了起来，这跟刚才观察到的缓存命中率 100% 是一致的。

这两次结果说明，系统缓存对第二次 dd 操作有明显的加速效果，可以大大提高文件读取的性能。

但同时也要注意，如果把 dd 当成测试文件系统性能的工具，由于缓存的存在，就会导致测试结果严重失真。

接下来，再来看一个文件读写的案例。这个案例类似于前面学过的不可中断状态进程的例子。它的基本功能比较简单，也就是每秒从磁盘分区 /dev/sda1 中读取 32MB 的数据，并打印出读取数据花费的时间。

为了方便你运行案例，把它打包成了一个 Docker 镜像。 跟前面案例类似，提供了下面两个选项，可以根据系统配置，自行调整磁盘分区的路径以及 I/O 的大小。

-d 选项，设置要读取的磁盘或分区路径，默认是查找前缀为 /dev/sd 或者 /dev/xvd 的磁盘。

-s 选项，设置每次读取的数据量大小，单位为字节，默认为 33554432（也就是 32MB）。

这个案例同样需要开启两个终端。分别 SSH 登录到机器上后，先在第一个终端中运行 cachetop 命令：

# 每隔 5 秒刷新一次数据

$ cachetop 5

接着，再到第二个终端，执行下面的命令运行案例：

$ docker run --privileged --name=app -itd feisky/app:io-direct

案例运行后，还需要运行下面这个命令，来确认案例已经正常启动。如果一切正常，应该可以看到类似下面的输出：

$ docker logs app

Reading data from disk /dev/sdb1 with buffer size 33554432

Time used: 0.929935 s to read 33554432 bytes

Time used: 0.949625 s to read 33554432 bytes

从这里可以看到，每读取 32 MB 的数据，就需要花 0.9 秒。这个时间合理吗？第一反应就是，太慢了吧。那这是不是没用系统缓存导致的呢？

回到第一个终端，先看看 cachetop 的输出，在这里，找到案例进程 app 的缓存使用情况：

16:39:18 Buffers MB: 73 / Cached MB: 281 / Sort: HITS / Order: ascending

PID UID CMD HITS MISSES DIRTIES READ_HIT% WRITE_HIT%

21881 root app 1024 0 0 100.0% 0.0%

这个输出似乎有点意思了。1024 次缓存全部命中，读的命中率是 100%，看起来全部的读请求都经过了系统缓存。但是问题又来了，如果真的都是缓存 I/O，读取速度不应该这么慢。

似乎忽略了另一个重要因素，每秒实际读取的数据大小。HITS 代表缓存的命中次数，那么每次命中能读取多少数据呢？自然是一页。

内存以页为单位进行管理，而每个页的大小是 4KB。所以，在 5 秒的时间间隔里，命中的缓存为 1024*4K/1024 = 4MB，再除以 5 秒，可以得到每秒读的缓存是 0.8MB，显然跟案例应用的 32 MB/s 相差太多。

至于为什么只能看到 0.8 MB 的 HITS，我们后面再解释，这里你先知道怎么根据结果来分析就可以了。

这个案例估计没有充分利用系统缓存。如果为系统调用设置直接 I/O 的标志，就可以绕过系统缓存。

那么，要判断应用程序是否用了直接 I/O，最简单的方法当然是观察它的系统调用，查找应用程序在调用它们时的选项。使用什么工具来观察系统调用呢？还是 strace。

继续在终端二中运行下面的 strace 命令，观察案例应用的系统调用情况。注意，这里使用了 pgrep 命令来查找案例进程的 PID 号：

# strace -p $(pgrep app)

strace: Process 4988 attached

restart_syscall() = 0

openat(AT_FDCWD, "/dev/sdb1", O_RDONLY|O_DIRECT) = 4

mmap(NULL, 33558528, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f448d240000

read(4, "8vq\213\314\264u\373\4\336K\224\25@\371\1\252\2\262\252q\221\n0\30\225bD\252\266@J"..., 33554432) = 33554432

write(1, "Time used: 0.948897 s to read 33"..., 45) = 45

close(4) = 0

从 strace 的结果可以看到，案例应用调用了 openat 来打开磁盘分区 /dev/sdb1，并且传入的参数为 O_RDONLY|O_DIRECT（中间的竖线表示或）。

O_RDONLY 表示以只读方式打开，而 O_DIRECT 则表示以直接读取的方式打开，这会绕过系统的缓存。

验证了这一点，就很容易理解为什么读 32 MB 的数据就都要那么久了。直接从磁盘读写的速度，自然远慢于对缓存的读写。这也是缓存存在的最大意义了。

找出问题后，再看看案例应用的源代码，再次验证一下：

int flags = O_RDONLY | O_LARGEFILE | O_DIRECT;

int fd = open(disk, flags, 0755);

上面的代码，它果然用了直接 I/O。

找出了磁盘读取缓慢的原因，优化磁盘读的性能自然不在话下。修改源代码，删除 O_DIRECT 选项，让应用程序使用缓存 I/O ，而不是直接 I/O，就可以加速磁盘读取速度。

app-cached.c 就是修复后的源码，我也把它打包成了一个容器镜像。在第二个终端中，按 Ctrl+C 停止刚才的 strace 命令，运行下面的命令，就可以启动它：

# 删除上述案例应用

$ docker rm -f app

# 运行修复后的应用

$ docker run --privileged --name=app -itd feisky/app:io-cached

还是第二个终端，再来运行下面的命令查看新应用的日志，应该能看到下面这个输出：

$ docker logs app

Reading data from disk /dev/sdb1 with buffer size 33554432

Time used: 0.037342 s s to read 33554432 bytes

Time used: 0.029676 s to read 33554432 bytes

现在，每次只需要 0.03 秒，就可以读取 32MB 数据，明显比之前的 0.9 秒快多了。所以，这次应该用了系统缓存。

再回到第一个终端，查看 cachetop 的输出来确认一下：

16:40:08 Buffers MB: 73 / Cached MB: 281 / Sort: HITS / Order: ascending

PID UID CMD HITS MISSES DIRTIES READ_HIT% WRITE_HIT%

22106 root app 40960 0 0 100.0% 0.0%

果然，读的命中率还是 100%，HITS （即命中数）却变成了 40960，同样的方法计算一下，换算成每秒字节数正好是 32 MB（即 40960*4k/5/1024=32M）。

这个案例说明，在进行 I/O 操作时，充分利用系统缓存可以极大地提升性能。 但在观察缓存命中率时，还要注意结合应用程序实际的 I/O 大小，综合分析缓存的使用情况。

案例的最后，再回到开始的问题，为什么优化前，通过 cachetop 只能看到很少一部分数据的全部命中，而没有观察到大量数据的未命中情况呢？这是因为，cachetop 工具并不把直接 I/O 算进来。这也又一次说明了，了解工具原理的重要。

cachetop 的计算方法涉及到 I/O 的原理以及一些内核的知识，如果你想了解它的原理的话，可以点击这里查看它的源代码。

此文章为3月Day3学习笔记，内容来源于极客时间《Linux内存性能优化》，强烈推荐该课程！/推荐该课程