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如何解读vmstat输出以优化MySQL性能

2021-10-024.1k 阅读

1. 理解 vmstat 工具

vmstat（Virtual Memory Statistics）是一个常用的系统性能分析工具，在类 Unix 系统中广泛使用。它提供了关于系统虚拟内存、进程、CPU 活动等方面的实时统计信息。通过解读这些信息，我们能够深入了解系统的运行状况，进而发现可能影响 MySQL 性能的瓶颈。

vmstat 命令的基本语法是 vmstat [options] [delay [count]]。其中，delay 表示两次输出之间的时间间隔（单位为秒），count 表示输出的次数。如果不指定 delay 和 count，vmstat 将显示系统启动以来的平均值。例如，要每隔 2 秒输出一次统计信息，共输出 5 次，可以使用命令 vmstat 2 5。

1.1 vmstat 输出字段详解

vmstat 的输出通常包含多个字段，这些字段可以分为以下几类：

1.1.1 进程（procs）

  • r：等待运行的进程数。这个值如果持续大于 CPU 的核心数，说明系统的 CPU 资源不足，进程在排队等待 CPU 时间片。例如，在一个 4 核的 CPU 系统中，如果 r 值长时间大于 4，就需要关注 CPU 性能问题。
  • b：处于不可中断睡眠状态的进程数。这些进程通常在等待 I/O 操作完成，比如磁盘 I/O 或网络 I/O。高的 b 值可能意味着系统存在 I/O 瓶颈。

1.1.2 内存（memory）

  • swpd：已使用的虚拟内存大小（单位为 KB）。虚拟内存是当物理内存不足时，系统将部分内存数据交换到磁盘上的空间。如果 swpd 值持续增加且不为 0，可能表示物理内存不足，系统频繁进行内存交换，这会严重影响系统性能，包括 MySQL 的性能。
  • free：空闲的物理内存大小（单位为 KB）。较低的 free 值可能暗示物理内存紧张。一般来说，当 free 值接近系统的安全阈值（不同系统可能不同，通常是几百 MB）时，需要考虑增加物理内存或优化内存使用。
  • buff：用于 buffer cache 的内存大小（单位为 KB）。buffer cache 主要用于缓存块设备（如磁盘）的 I/O 数据。MySQL 在进行磁盘 I/O 操作时，也会依赖 buffer cache。如果 buff 值合理且稳定，说明系统对磁盘 I/O 的缓存机制工作正常。
  • cache：用于 page cache 的内存大小（单位为 KB）。page cache 缓存文件系统的页面数据，MySQL 数据文件的读取也可能受益于 page cache。较高的 cache 值通常是有益的，因为它可以加速文件的读取，减少磁盘 I/O。

1.1.3 交换（swap）

  • si：从磁盘交换到内存的数据量（单位为 KB/s）。如果 si 值持续较高，说明系统频繁从磁盘交换数据到内存，这是物理内存不足的一个明显迹象，会导致 MySQL 性能下降，因为磁盘 I/O 速度远远低于内存访问速度。
  • so：从内存交换到磁盘的数据量（单位为 KB/s）。与 si 类似，高的 so 值也表示物理内存紧张，系统在将内存数据交换到磁盘。

1.1.4 I/O（io）

  • bi：从块设备读取的数据量（单位为块/s）。对于 MySQL 来说，这可能表示从磁盘读取数据文件或日志文件的速率。高的 bi 值可能意味着 MySQL 频繁读取磁盘数据，可能存在查询优化不足或索引不合理的问题，导致大量的全表扫描。
  • bo：写入块设备的数据量（单位为块/s）。同样，这可能反映了 MySQL 向磁盘写入数据文件、日志文件的速率。高的 bo 值可能表示 MySQL 有大量的写入操作，这可能对性能产生影响，特别是在磁盘 I/O 性能有限的情况下。

1.1.5 系统（system）

  • in：每秒的中断数，包括时钟中断。高的中断数可能表示系统中有大量的设备活动，如网络设备、磁盘设备等。过多的中断可能会占用 CPU 时间，影响 MySQL 的性能。
  • cs：每秒的上下文切换次数。上下文切换是指 CPU 从一个进程切换到另一个进程的过程。高的上下文切换次数可能意味着系统中进程竞争激烈，或者进程的调度不合理，这也会对 MySQL 性能产生负面影响。

1.1.6 CPU（cpu）

  • us：用户空间程序占用 CPU 的百分比。如果 MySQL 运行在高负载下，us 值可能会较高。但如果 us 值过高且接近 100%，可能表示 MySQL 内部存在性能问题，如查询过于复杂、未使用索引等，导致 CPU 资源被大量消耗。
  • sy：内核空间程序占用 CPU 的百分比。高的 sy 值可能表示系统内核在处理 I/O 操作、中断处理等方面消耗了过多的 CPU 时间，这可能影响 MySQL 的性能。例如，频繁的磁盘 I/O 可能导致内核空间 CPU 使用率上升。
  • id：空闲 CPU 的百分比。较低的 id 值表示 CPU 使用率较高，系统可能处于繁忙状态。当 id 值接近 0 时，需要考虑优化系统或增加 CPU 资源。
  • wa：等待 I/O 完成而消耗的 CPU 时间百分比。对于 MySQL 来说，这通常与磁盘 I/O 等待有关。高的 wa 值说明系统在等待磁盘 I/O 操作完成，这可能是由于磁盘性能不佳、I/O 调度不合理或 MySQL 配置不当导致的。

2. MySQL 性能与 vmstat 指标的关系

2.1 CPU 相关指标对 MySQL 性能的影响

MySQL 是一个 CPU 密集型的应用程序，特别是在处理大量查询和复杂计算时。高的 us 值可能表示 MySQL 查询存在性能问题。例如，以下是一个简单的 SQL 查询示例：

SELECT * FROM large_table WHERE complex_condition;

如果 large_table 表没有合适的索引，MySQL 可能需要全表扫描来满足 complex_condition，这将导致 CPU 使用率急剧上升，us 值增大。

而高的 sy 值可能与 MySQL 的 I/O 操作相关。当 MySQL 进行大量的磁盘 I/O 操作时，内核需要花费时间处理这些 I/O 请求，从而导致 sy 值升高。例如，在进行大量数据导入或导出操作时，可能会出现这种情况。

2.2 内存相关指标对 MySQL 性能的影响

MySQL 的性能高度依赖于内存。合理的内存分配可以显著提高其性能。如果 swpd 值不为 0 且持续增加，说明系统正在使用虚拟内存，这对 MySQL 性能极为不利。例如，MySQL 的缓冲池（Buffer Pool）是一个重要的内存区域，用于缓存数据页和索引页。如果物理内存不足，缓冲池可能无法缓存足够的数据，导致频繁的磁盘 I/O，从而降低性能。

free 值较低可能意味着 MySQL 没有足够的内存来分配给其内部结构，如查询缓存、连接缓存等。这可能导致查询性能下降，连接建立时间变长等问题。

2.3 I/O 相关指标对 MySQL 性能的影响

MySQL 的数据存储和检索都依赖于磁盘 I/O。高的 bi 和 bo 值可能表示 MySQL 正在进行大量的磁盘读写操作。例如，在进行全表扫描时，bi 值会显著增加。这可能是由于查询没有使用索引，MySQL 不得不从磁盘读取整个表的数据。

-- 没有使用索引的查询，导致大量磁盘 I/O
SELECT * FROM products WHERE product_name LIKE '%keyword%';

而高的 bo 值可能与 MySQL 的写入操作有关，如插入、更新和删除操作。如果 MySQL 的写入性能受到磁盘 I/O 的限制，可能需要优化写入策略，如批量插入、合理使用事务等。

2.4 进程相关指标对 MySQL 性能的影响

高的 r 值表示有大量进程在等待 CPU 资源，这可能导致 MySQL 进程得不到足够的 CPU 时间片，从而影响查询的执行速度。例如，在一个共享服务器上，如果同时运行多个高负载的应用程序，可能会出现这种情况。

高的 b 值可能意味着 MySQL 进程在等待 I/O 操作完成，如等待磁盘写入数据或读取数据。这可能是由于磁盘性能问题或 I/O 队列过长导致的。

3. 根据 vmstat 输出优化 MySQL 性能

3.1 优化 CPU 性能

如果 us 值过高，说明 MySQL 的查询可能需要优化。可以通过以下几种方式进行优化：

  1. 使用索引：确保在查询中涉及的列上创建了合适的索引。例如，对于以下查询：
SELECT * FROM orders WHERE customer_id = 123;

可以在 customer_id 列上创建索引：

CREATE INDEX idx_customer_id ON orders (customer_id);
  1. 优化查询语句：避免使用复杂的子查询和全表扫描。可以通过改写查询语句来提高执行效率。例如，将子查询改写为连接查询：
-- 原始子查询
SELECT product_name FROM products WHERE product_id IN (SELECT product_id FROM order_items WHERE order_id = 1);

-- 改写为连接查询
SELECT p.product_name
FROM products p
JOIN order_items oi ON p.product_id = oi.product_id
WHERE oi.order_id = 1;

如果 sy 值过高，可能需要优化系统的 I/O 性能。可以考虑以下几点：

  1. 优化磁盘 I/O 调度：选择合适的 I/O 调度算法。在 Linux 系统中，可以通过修改 /sys/block/sda/queue/scheduler 文件来选择不同的调度算法，如 cfq（完全公平队列调度算法）、deadline（截止时间调度算法）等。不同的算法适用于不同的工作负载，例如，deadline 算法在处理数据库 I/O 时可能表现更好。
  2. 调整内核参数：适当调整与 I/O 相关的内核参数，如 vm.dirty_ratio 和 vm.dirty_background_ratio。vm.dirty_ratio 表示当系统内存中脏数据（即已修改但尚未写入磁盘的数据）达到一定比例时，开始同步数据到磁盘的阈值；vm.dirty_background_ratio 表示当系统内存中脏数据达到一定比例时，内核开始在后台异步同步数据到磁盘的阈值。合理调整这些参数可以优化 I/O 性能。

3.2 优化内存性能

如果 swpd 值不为 0，说明系统正在使用虚拟内存，需要增加物理内存或优化内存使用。对于 MySQL，可以通过调整以下参数来优化内存使用：

  1. 调整缓冲池大小：在 MySQL 的配置文件（通常是 my.cnf 或 my.ini）中，可以通过 innodb_buffer_pool_size 参数来调整 InnoDB 存储引擎的缓冲池大小。缓冲池用于缓存数据页和索引页，适当增大缓冲池大小可以减少磁盘 I/O。例如：
[mysqld]
innodb_buffer_pool_size = 4G
  1. 优化查询缓存：MySQL 的查询缓存可以缓存查询结果，减少重复查询的开销。可以通过 query_cache_type 和 query_cache_size 参数来配置查询缓存。例如：
[mysqld]
query_cache_type = 1
query_cache_size = 64M

然而，需要注意的是，在 MySQL 8.0 及以上版本，查询缓存已被弃用，因为它在高并发环境下可能会带来性能问题。

  1. 合理分配连接缓存：可以通过 table_open_cache 和 thread_cache_size 等参数来优化连接缓存。table_open_cache 控制同时打开的表的数量，thread_cache_size 控制线程缓存的大小。合理设置这些参数可以减少连接建立和表打开的开销。
[mysqld]
table_open_cache = 2048
thread_cache_size = 64

3.3 优化 I/O 性能

如果 bi 和 bo 值过高，说明 MySQL 存在大量的磁盘 I/O 操作，需要优化 I/O 性能。以下是一些优化方法：

  1. 使用固态硬盘（SSD）：SSD 的读写速度比传统机械硬盘快得多，可以显著提高 MySQL 的 I/O 性能。如果条件允许，将 MySQL 的数据文件和日志文件存储在 SSD 上。
  2. 优化数据库设计：避免创建过大的表，合理进行表分区。例如，对于一个存储大量订单数据的表，可以按时间进行分区，将不同时间段的订单数据存储在不同的分区中。这样在查询时，可以只读取相关分区的数据，减少 I/O 量。
-- 创建按时间分区的表
CREATE TABLE orders (
    order_id INT,
    order_date DATE,
    customer_id INT,
    amount DECIMAL(10, 2)
)
PARTITION BY RANGE (YEAR(order_date)) (
    PARTITION p0 VALUES LESS THAN (2020),
    PARTITION p1 VALUES LESS THAN (2021),
    PARTITION p2 VALUES LESS THAN (2022)
);
  1. 调整 InnoDB 日志文件大小：InnoDB 存储引擎使用重做日志（redo log）来保证数据的一致性和崩溃恢复能力。适当增大重做日志文件的大小可以减少日志切换的频率，从而减少磁盘 I/O。可以通过 innodb_log_file_size 参数来调整重做日志文件的大小。例如：
[mysqld]
innodb_log_file_size = 256M

3.4 优化进程性能

如果 r 值过高，说明系统的 CPU 资源不足，需要减少系统中的进程数量或优化进程调度。对于 MySQL，可以通过以下方式进行优化：

  1. 优化连接池：使用连接池技术，如 mysql - connector - java 中的 HikariCP 或 C3P0，可以减少连接的创建和销毁开销，提高连接的复用率，从而减少系统中的进程数量。
  2. 调整 MySQL 线程参数：可以通过 innodb_thread_concurrency 参数来控制 InnoDB 存储引擎的并发线程数。合理设置这个参数可以避免过多的线程竞争 CPU 资源。例如：
[mysqld]
innodb_thread_concurrency = 16

如果 b 值过高，说明进程在等待 I/O 操作，需要优化 I/O 性能。可以参考前面提到的优化 I/O 性能的方法，如使用 SSD、优化数据库设计等。

4. 实际案例分析

假设我们有一个运行 MySQL 的服务器，通过 vmstat 2 命令获取到以下输出：

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 5  2  10240  524288 262144 4194304    0    0    10    20  100  200 30 20 40 10  0

从输出中可以看出，r 值为 5，大于服务器的 CPU 核心数（假设为 4），说明 CPU 资源紧张。us 值为 30%，sy 值为 20%，id 值为 40%，wa 值为 10%。swpd 值为 10240KB，说明系统正在使用虚拟内存。

进一步分析，我们发现 bi 值为 10，bo 值为 20，说明存在一定的磁盘 I/O 操作。结合这些信息，我们可以采取以下优化措施：

  1. 优化查询：检查 MySQL 的查询日志，发现有一些复杂的查询没有使用索引，导致 CPU 使用率过高。例如：
SELECT * FROM users WHERE last_name LIKE '%son';

在 last_name 列上创建索引：

CREATE INDEX idx_last_name ON users (last_name);
  1. 增加物理内存：由于 swpd 值不为 0，说明物理内存不足。增加服务器的物理内存，如从 8GB 增加到 16GB，并调整 MySQL 的缓冲池大小：
[mysqld]
innodb_buffer_pool_size = 8G
  1. 优化 I/O：检查磁盘 I/O 调度算法，发现当前使用的是 cfq 算法。根据服务器的工作负载，将其改为 deadline 算法：
echo deadline > /sys/block/sda/queue/scheduler

经过这些优化措施后，再次运行 vmstat 2，得到以下输出：

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 2  1      0 1048576 262144 4194304    0    0     5    10   80  150 20 15 60  5  0

可以看到，r 值下降到 2，swpd 值变为 0，us 值下降到 20%，sy 值下降到 15%，id 值上升到 60%，wa 值下降到 5%，系统性能得到了显著提升。

5. 总结 vmstat 在 MySQL 性能优化中的作用

通过深入理解 vmstat 的输出，并结合 MySQL 的特性和工作负载，我们可以准确地定位性能瓶颈，并采取相应的优化措施。无论是 CPU 性能、内存性能、I/O 性能还是进程性能，vmstat 都提供了有价值的信息，帮助我们优化 MySQL 数据库，提高其性能和稳定性。在实际的生产环境中，定期使用 vmstat 工具进行性能监测，并根据监测结果进行优化，是保障 MySQL 高效运行的重要手段。同时，需要注意的是，性能优化是一个持续的过程，随着业务的发展和数据量的增长，可能需要不断调整优化策略，以满足系统的性能需求。