学习性能优化，如何模拟各种故障场景？

大家好，我是树哥！

性能优化这个专题，是每个想成为架构师的小伙伴必须学习的知识。在学习性能优化的过程中，我们要学会各种 Linux 命令和工具去检测服务器的 CPU、内存等资源。很多情况下，我们的 CPU、内存资源都是很平稳的，不利于我们学习这些性能检测命令。

今天就介绍一个 Linux 系统压力测试工具 stress，它可以模拟各种系统高负载的场景，方便我们进行性能优化学习！

什么是 stress？

stress 是一个 Linux 系统压力测试工具，主要用来模拟系统系统高负载的场景，其可以对 CPU、内存、IO 及磁盘进行压力测试。

安装指南

在 CentOS8 系统中安装 stress 可以用 rpm 方式安装，只需执行如下命令就可以成功完成安装。

// 获取安装包
wget https://download-ib01.fedoraproject.org/pub/epel/7/x86_64/Packages/s/stress-1.0.4-16.el7.x86_64.rpm
// 安装 stress 工具
rpm -ivh stress-1.0.4-16.el7.x86_64.rpm

安装完成后可以运行 stress --version 查看安装版本。

[root@iZwz92ezhi90syoqbgjgn1Z ~]# stress --version
stress 1.0.4

如果可以正常运行，说明 stress 安装成功了。

使用指南

使用 stress 命令非常简单，就是 stress 命令加上各种参数。这里我举几个例子，简单介绍下 stress 命令常见的几种使用方法。

模拟 CPU 消耗

运行下面的命令，创建 4 个消耗 CPU 资源的进程，并持续 600 秒。

stress -c 4 --timeout 600

随后我们使用 watch -d uptime 命令持续监控系统的平均负载情况。

21:55:10 up 7 min,  2 users,  load average: 4.63, 1.32, 0.34
21:56:16 up 8 min,  2 users,  load average: 6.63, 2.32, 0.84

可以看到随着时间的推移，系统的平均负载越来越高，这说明我们的 stress 命令起效果了。

模拟内存消耗

运行下面的命令，创建 2 个消耗内存的进程，每个进程占用 200M 内存。

stress -m 2 --vm-bytes 200M

随后我们使用 pidstat -r | grep stress 命令查看内存的占用情况。

[root@iZwz92ezhi90syoqbgjgn1Z ~]# pidstat -r | grep stress
// -r 表示查看内存使用情况
// VSZ 表示虚拟地址大小，虚拟内存的使用 KB
22:00:18      UID       PID  minflt/s  majflt/s     VSZ    RSS   %MEM  Command
22:00:18        0      1645   1249.67      0.00  212780   22368   0.29  stress
22:00:18        0      1646   1267.04      0.00  212780   79928   1.04  stress

可以看到 VSZ 这一列的数值为 212780KB，刚好就是 200MB 左右。

模拟磁盘写入

运行下面命令，可以模拟两个进程往当前目录写入固定大小的临时文件，临时文件大小默认为 1G。

stress -d 2

随后我们用 pidstat 监控磁盘，可以看到 kB_wr/s 列的数值较大，表示两个 stress 进程在做大量的写入操作。

[root@iZwz92ezhi90syoqbgjgn1Z ~]# pidstat -d | grep stress
22:07:41      UID       PID   kB_rd/s   kB_wr/s kB_ccwr/s iodelay  Command
22:07:41        0      1730      0.00  15369.44  13980.27     849  stress
22:07:41        0      1731      0.00  15941.86  13876.48     976  stress

模拟大量 IO 操作

运行下面命令，可以模拟 4 个进程执行大量的 sync () 操作。

stress -i 4 --timeout 600

使用 top 可以看到 stress 的 4 个进程占用了大量的 CPU 资源。

PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU  %MEM     TIME+ COMMAND
1863 root      20   0    7976     96      0 R 100.0   0.0   0:12.75 stress
1864 root      20   0    7976     96      0 R 100.0   0.0   0:12.78 stress
1865 root      20   0    7976     96      0 R 100.0   0.0   0:12.76 stress
1862 root      20   0    7976     96      0 R  99.7   0.0   0:12.77 stress

使用 pidstat 查看进程，正常情况下可以看到 stress 的 4 个进程产生了大量的 %wait 时间。但由于我做测试的服务器用的是 SSD 盘，因此并没有产生大量的 CPU wait 时间。

[root@iZwz92ezhi90syoqbgjgn1Z ~]# pidstat -u 5 1 
Linux 4.18.0-348.7.1.el8_5.x86_64 (iZwz92ezhi90syoqbgjgn1Z)  22/08/22  _x86_64_ (4 CPU)
22:22:41      UID       PID    %usr %system  %guest   %wait    %CPU   CPU  Command
22:22:46        0      1862    0.20   99.60    0.00    0.20   99.80     1  stress
22:22:46        0      1863    0.20   99.80    0.00    0.20  100.00     0  stress
22:22:46        0      1864    0.20   99.60    0.00    0.20   99.80     2  stress
22:22:46        0      1865    0.20   99.80    0.00    0.00  100.00     3  stress

要获取 stress 工具的更多用法，直接输入 stress --help 就可以获取详细信息了，如下所示。

-c, --cpu N            产生 N 个进程，每个进程都反复不停的计算随机数的平方根
-i, --io N             产生 N 个进程，每个进程反复调用 sync () 将内存上的内容写到硬盘上
-m, --vm N             产生 N 个进程，每个进程不断分配和释放内存
    --vm-bytes B      指定分配内存的大小
    --vm-stride B     不断的给部分内存赋值，让 COW (Copy On Write) 发生
    --vm-hang N      指示每个消耗内存的进程在分配到内存后转入睡眠状态 N 秒，然后释放内存，一直重复执行这个过程
    --vm-keep          一直占用内存，区别于不断的释放和重新分配 (默认是不断释放并重新分配内存)
-d, --hadd N           产生 N 个不断执行 write 和 unlink 函数的进程 (创建文件，写入内容，删除文件)
    --hadd-bytes B  指定文件大小
-t, --timeout N       在 N 秒后结束程序        
--backoff N            等待 N 微妙后开始运行
-q, --quiet           程序在运行的过程中不输出信息
-n, --dry-run          输出程序会做什么而并不实际执行相关的操作
--version              显示版本号
-v, --verbose          显示详细的信息