LAMP 系統(tǒng)性能調優(yōu)，第 1 部分: 理解 LAMP 架構

LAMP 系統(tǒng)的工作原理、性能度量方法及底層操作系統(tǒng)的調優(yōu)方法

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級別： 中級

Sean A. Walberg ( sean@ertw.com ), 高級網(wǎng)絡工程師

2007 年 5 月 09 日

如今，使用 LAMP（Linux?、Apache、MySQL 和 PHP/Perl）架構的應用程序不斷被開發(fā)和部署。 但是，服務器管理員對應用程序本身幾乎沒有控制能力，因為應用程序是別人編寫的。這份共三部分的系列文章將討論許多服務器配置問題，這些配置會影響應用程序的性能。第一篇文章討論 LAMP 架構、一些性能度量技術以及一些基本的 Linux 內核、硬盤和文件系統(tǒng)調節(jié)。后續(xù)的文章將研究 Apache、MySQL 和 PHP 組件的調優(yōu)。

Linux、Apache、MySQL 和 PHP（或 Perl）是許多 Web 應用程序的基礎 —— 從 to-do 列表到 blog，再到電子商務站點。WordPress 和 Pligg 是兩個支持大容量 Web 站點的常用軟件包。這種架構簡稱為 LAMP。幾乎每個 Linux 發(fā)布版都包含 Apache、MySQL、PHP 和 Perl，所以安裝 LAMP 軟件是非常容易的。

安裝的簡便性使人誤以為這些軟件會自行順利地運行，但是實際情況并非如此。最終，應用程序的負載會超出后端服務器自帶設置的處理能力，應用程序的性能會降低。LAMP 安裝需要不斷監(jiān)控、調優(yōu)和評估。

系統(tǒng)調優(yōu)對于不同的人有不同的含義。本系列主要關注 LAMP 組件（Linux、Apache、MySQL 和 PHP）的調優(yōu)。對應用程序本身進行調優(yōu)是另一個復雜的問題。應用程序和后端服務器之間存在一種共生關系：未能適當調優(yōu)的服務器甚至會使最好的應用程序在負載之下崩潰，而借助充分的調優(yōu)，完全可以避免編寫得很糟糕的應用程序使服務器緩慢如牛。幸運的是，正確的系統(tǒng)調優(yōu)和監(jiān)視可以指出應用程序中的問題。

LAMP 架構

對任何系統(tǒng)進行調優(yōu)的第一步都是了解它的工作原理。按照最簡單的形式，基于 LAMP 的應用程序是用 PHP 這樣的腳本語言編寫的，它們作為 Linux 主機上運行的 Apache Web 服務器的一部分運行。

PHP 應用程序通過請求的 URL、所有表單數(shù)據(jù)和已捕獲的任意會話信息從客戶機獲得信息，從而確定應該執(zhí)行什么操作。如有必要，服務器會從 MySQL 數(shù)據(jù)庫（也在 Linux 上運行）獲得信息，將這些信息與一些 Hypertext Markup Language（HTML）模板組合在一起，并將結果返回給客戶機。當用戶在應用程序中導航時，這個過程重復進行；當多個用戶訪問系統(tǒng)時，這個過程會并發(fā)進行。但是，數(shù)據(jù)流不是單向的，因為可以用來自用戶的信息更新數(shù)據(jù)庫，包括會話數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)（包括投票）和用戶提交的內容（比如評論或站點更新）。除了動態(tài)元素之外，還有靜態(tài)元素，比如圖像、JavaScript 代碼和層疊樣式表（CSS）。

LAMP 的變體 LAMP 最初是指 Linux、Apache、MySQL 和 PHP（或 Perl）。但是，如果管理員不擅長 Linux，那么可以在 Microsoft? Windows? 上運行 Apache、MySQL 和 PHP，這并非一種少見的情況。同樣，也可以將 Apache 換成別的系統(tǒng)，比如 lighttpd，產生的仍然是 LAMP 風格的系統(tǒng)，但是首字母縮寫不再是 LAMP 了。也可以改用另一種開放源碼數(shù)據(jù)庫（比如 PostgreSQL 或 SQLite）、商業(yè)數(shù)據(jù)庫（比如 IBM? DB2?）或者免費的商業(yè)引擎（比如 IBM DB2 Express-C）。 本文主要關注傳統(tǒng)的 LAMP 架構，因為這種架構是最常見的，而且它的組件都是開放源碼的。

在研究 LAMP 系統(tǒng)中的請求流之后，就來看看可能出現(xiàn)性能瓶頸的地方。數(shù)據(jù)庫提供許多動態(tài)信息，所以數(shù)據(jù)庫對查詢的響應延遲都會反映在客戶機中。Web 服務器必須能夠快速地執(zhí)行腳本，還要能夠處理多個并發(fā)請求。最后，底層操作系統(tǒng)必須處于良好的狀態(tài)才能支持應用程序。通過網(wǎng)絡在不同服務器之間共享文件的其他設置也可能成為瓶頸。

度量性能

持續(xù)地對性能進行度量在兩個方面有幫助。首先，度量可以幫助了解性能趨勢，包括好壞兩方面的趨勢。作為一個簡單的方法，查看一下 Web 服務器上的中央處理單元（CPU）使用率，就可以了解 CPU 是否負載過重。同樣，查看過去使用的總帶寬并推斷未來的變化，可以幫助判斷什么時候需要進行網(wǎng)絡升級。這些度量最好與其他度量和觀測結合考慮。例如，當用戶抱怨應用程序太慢時，可以檢查磁盤操作是否達到了最大容量。

性能度量的第二個用途是，判斷調優(yōu)是對系統(tǒng)性能有幫助，還是使它更糟糕了。方法是比較修改之前和之后的度量結果。但是，為了進行有效的比較，每次應該只修改一個設置，然后對適當?shù)闹笜诉M行比較以判斷修改的效果。每次只修改一個設置的原因應該是很明顯的：同時做出的兩個修改很可能會相互影響。選擇用來進行比較的指標比較微妙。

選擇的指標必須能夠反映應用程序用戶感覺到的響應。如果一項修改的目標是減少數(shù)據(jù)庫的內存占用量，那么取消各種緩沖區(qū)肯定會有幫助，但是這會犧牲查詢速度和應用程序性能。所以，應該選擇應用程序響應時間這樣的指標，這會使調優(yōu)向著正確的方向發(fā)展，而不僅僅是針對數(shù)據(jù)庫內存使用量。

可以以許多方式度量應用程序響應時間。最簡單的方法可能是使用 curl 命令，見清單 1。

                                      $ curl -o /dev/null -s -w %{time_connect}:%{time_starttransfer}:%{time_total}/    http://www.canada.com0.081:0.272:0.779
                    

清單 1 給出對一個流行的新聞站點執(zhí)行 curl 命令的情況。輸出通常是 HTML 代碼，通過 -o 參數(shù)發(fā)送到 /dev/null 。 -s 參數(shù)去掉所有狀態(tài)信息。 -w 參數(shù)讓 curl 寫出表 1 列出的計時器的狀態(tài)信息：

這些計時器都相對于事務的起始時間，甚至要先于 Domain Name Service（DNS）查詢。因此，在發(fā)出請求之后，Web 服務器處理請求并開始發(fā)回數(shù)據(jù)所用的時間是 0.272 - 0.081 = 0.191 秒。客戶機從服務器下載數(shù)據(jù)所用的時間是 0.779 - 0.272 = 0.507 秒。

通過觀察 curl 數(shù)據(jù)及其隨時間變化的趨勢，可以很好地了解站點對用戶的響應性。

當然，Web 站點不僅僅由頁面組成。它還有圖像、JavaScript 代碼、CSS 和 cookie 要處理。 curl 很適合了解單一元素的響應時間，但是有時候需要了解整個頁面的裝載速度。

用于 Firefox 瀏覽器的 Tamper Data 擴展（參見 參考資料 一節(jié)中的鏈接）可以在日志中記錄 Web 瀏覽器發(fā)出的每個請求，并顯示每個請求所用的下載時間。使用這個擴展的方法是，選擇 Tools > Tamper Data 來打開 Ongoing requests 窗口。裝載要考察的頁面，然后就會看到瀏覽器發(fā)出的每個請求的狀態(tài)和裝載每個元素所用的時間。圖 1 給出裝載 developerWorks 主頁的結果。

每一行描述一個元素的裝載情況。顯示的數(shù)據(jù)包括發(fā)出請求的時間、裝載所用的時間、大小和結果。Duration 欄列出裝載元素本身所用的時間，Total Duration 欄列出所有子元素所用的時間。在圖 1 中，裝載主要頁面所用的時間是 516 毫秒（ms），但是裝載所有東西并顯示整個頁面所用的時間是 5101 ms。

Tamper Data 擴展有一種有用的模式，將頁面裝載數(shù)據(jù)的輸出繪制成圖形。右擊 Ongoing requests 窗口上半部分的任何地方，并選擇 Graph all 。圖 2 顯示圖 1 中數(shù)據(jù)的圖形化視圖。

在圖 2 中，每個請求的持續(xù)時間顯示為深藍色，并相對于頁面裝載的啟始時間顯示。所以，可以看出哪些請求使整個頁面的裝載變慢了。

盡管關注的重點是頁面裝載時間和用戶體驗，但是也不要忽視核心系統(tǒng)指標，比如磁盤、內存和網(wǎng)絡。有許多實用程序可以捕獲這些信息；其中最有幫助的可能是 sar 、 vmstat 和 iostat 。關于這些工具的更多信息，請參見 參考資料 一節(jié)。

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基本系統(tǒng)調節(jié)

在對系統(tǒng)的 Apache、PHP 和 MySQL 組件進行調優(yōu)之前，應該花一些時間確保底層 Linux 組件的運行正常。還應該對正在運行的服務進行縮減，只運行需要的那些服務。這不但是一種良好的安全實踐，而且可以節(jié)省內存和 CPU 時間。

一些快速的內核調優(yōu)措施

大多數(shù) Linux 發(fā)布版都定義了適當?shù)木彌_區(qū)和其他 Transmission Control Protocol（TCP）參數(shù)。可以修改這些參數(shù)來分配更多的內存，從而改進網(wǎng)絡性能。設置內核參數(shù)的方法是通過 proc 接口，也就是通過讀寫 /proc 中的值。幸運的是， sysctl 可以讀取 /etc/sysctl.conf 中的值并根據(jù)需要填充 /proc ，這樣就能夠更輕松地管理這些參數(shù)。清單 2 展示在互聯(lián)網(wǎng)服務器上應用于 Internet 服務器的一些比較激進的網(wǎng)絡設置。

                                      # Use TCP syncookies when needednet.ipv4.tcp_syncookies = 1# Enable TCP window scalingnet.ipv4.tcp_window_scaling: = 1# Increase TCP max buffer sizenet.core.rmem_max = 16777216net.core.wmem_max = 16777216# Increase Linux autotuning TCP buffer limitsnet.ipv4.tcp_rmem = 4096 87380 16777216 net.ipv4.tcp_wmem = 4096 65536 16777216# Increase number of ports availablenet.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65000
                    

將這些設置添加到 /etc/sysctl.conf 的現(xiàn)有內容中。第一個設置啟用 TCP SYN cookie。當從客戶機發(fā)來新的 TCP 連接時，數(shù)據(jù)包設置了 SYN 位，服務器就為這個半開的連接創(chuàng)建一個條目，并用一個 SYN-ACK 數(shù)據(jù)包進行響應。在正常操作中，遠程客戶機用一個 ACK 數(shù)據(jù)包進行響應，這會使半開的連接轉換為全開的。有一種稱為 SYN 泛濫（SYN flood） 的網(wǎng)絡攻擊，它使 ACK 數(shù)據(jù)包無法返回，導致服務器用光內存空間，無法處理到來的連接。SYN cookie 特性可以識別出這種情況，并使用一種優(yōu)雅的方法保留隊列中的空間（細節(jié)參見 參考資料 一節(jié)）。大多數(shù)系統(tǒng)都默認啟用這個特性，但是確保配置這個特性更可靠。

啟用 TCP 窗口伸縮使客戶機能夠以更高的速度下載數(shù)據(jù)。TCP 允許在未從遠程端收到確認的情況下發(fā)送多個數(shù)據(jù)包，默認設置是最多 64 KB，在與延遲比較大的遠程客戶機進行通信時這個設置可能不夠。窗口伸縮會在頭中啟用更多的位，從而增加窗口大小。

后面四個配置項增加 TCP 發(fā)送和接收緩沖區(qū)。這使應用程序可以更快地丟掉它的數(shù)據(jù)，從而為另一個請求服務。還可以強化遠程客戶機在服務器繁忙時發(fā)送數(shù)據(jù)的能力。

最后一個配置項增加可用的本地端口數(shù)量，這樣就增加了可以同時服務的最大連接數(shù)量。

在下一次引導系統(tǒng)時，或者下一次運行 sysctl -p /etc/sysctl.conf 時，這些設置就會生效。

配置磁盤來提高性能

磁盤在 LAMP 架構中扮演著重要的角色。靜態(tài)文件、模板和代碼都來自磁盤，組成數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表和索引也來自磁盤。對磁盤的許多調優(yōu)（尤其是對于數(shù)據(jù)庫）集中于避免磁盤訪問，因為磁盤訪問的延遲相當高。因此，花一些時間對磁盤硬件進行優(yōu)化是有意義的。

首先要做的是，確保在文件系統(tǒng)上禁用 atime 日志記錄特性。 atime 是最近訪問文件的時間，每當訪問文件時，底層文件系統(tǒng)必須記錄這個時間戳。因為系統(tǒng)管理員很少使用 atime ，禁用它可以減少磁盤訪問時間。禁用這個特性的方法是，在 /etc/fstab 的第四列中添加 noatime 選項。清單 3 給出了一個配置示例。

                                      /dev/VolGroup00/LogVol00 /                      ext3    defaults,noatime        1 1LABEL=/boot             /boot                   ext3    defaults,noatime        1 2devpts                  /dev/pts                devpts  gid=5,mode=620  0 0tmpfs                   /dev/shm                tmpfs   defaults        0 0proc                    /proc                   proc    defaults        0 0sysfs                   /sys                    sysfs   defaults        0 0LABEL=SWAP-hdb2         swap                    swap    defaults        0 0LABEL=SWAP-hda3         swap                    swap    defaults        0 0
                    

在清單 3 中只修改了 ext3 文件系統(tǒng)，因為 noatime 只對駐留在磁盤上的文件系統(tǒng)有幫助。為讓這一修改生效，不需要重新引導；只需重新掛裝每個文件系統(tǒng)。例如，為了重新掛裝根文件系統(tǒng)，運行 mount / -o remount 。

有多種磁盤硬件組合，而且 Linux 不一定能夠探測出訪問磁盤的最佳方式。可以使用 hdparm 命令查明和設置用來訪問 IDE 磁盤的方法。 hdparm -t /path/to/device 執(zhí)行速度測試，可以將這個測試結果作為性能基準。為了使結果盡可能準確，在運行這個命令時系統(tǒng)應該是空閑的。清單 4 給出在 hda 上執(zhí)行速度測試的結果。

                                      # hdparm -t /dev/hda/dev/hda: Timing buffered disk reads:  182 MB in  3.02 seconds =  60.31 MB/sec
                    

這一測試說明，在這個磁盤上讀取數(shù)據(jù)的速度是大約每秒 60 MB。

在嘗試一些磁盤調優(yōu)選項之前，必須注意一個問題。錯誤的設置可能損害文件系統(tǒng)。有時候會出現(xiàn)一個警告，指出這個選項與硬件不兼容；但是，有時候沒有警告消息。因此，在將系統(tǒng)投入生產之前，必須對設置進行徹底的測試。在所有服務器上都采用標準的硬件也會有所幫助。

表 2 列出比較常用的一些選項。

不幸的是，對于 Fiber Channel and Small Computer Systems Interface（SCSI）系統(tǒng)，調優(yōu)依賴于具體的驅動器。

必須將有幫助的設置添加到啟動腳本中，比如 rc.local 。

網(wǎng)絡文件系統(tǒng)調優(yōu)

網(wǎng)絡文件系統(tǒng)（NFS）是一種通過網(wǎng)絡共享磁盤的方法。NFS 可以幫助確保每個主機具有相同數(shù)據(jù)的拷貝，并確保修改反映在所有節(jié)點上。但是，在默認情況下，NFS 的配置不適合大容量磁盤。

每個客戶機應該用 rsize=32768,wsize=32768,intr,noatime 掛裝遠程文件系統(tǒng)，從而確保：

• 使用大的讀/寫塊（數(shù)字指定最大塊大小，在這個示例中是 32KB）。
• 在掛起時 NFS 操作可以被中斷。
• 不持續(xù)更新 atime 。

可以將這些設置放在 /etc/fstab 中，見 清單 3 。如果使用自動掛裝器，那么應該將這些設置放在適當?shù)? /etc/auto.* 文件中。

在服務器端，一定要確保有足夠的 NFS 內核線程來處理所有客戶機。在默認情況下，只啟動一個線程，但是 Red Hat 和 Fedora 系統(tǒng)會啟動 8 個線程。對于繁忙的 NFS 服務器，應該提高這個數(shù)字，比如 32 或 64。可以用 nfsstat -rc 命令評估客戶機，了解是否有阻塞的現(xiàn)象，這個命令顯示客戶機遠程過程調用（RPC）統(tǒng)計數(shù)據(jù)。清單 5 顯示一個 Web 服務器的客戶機統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

                                       # nfsstat -rcClient rpc stats:calls      retrans    authrefrsh1465903813   0          0       
                    

第二列 retrans 是零，這表示從上一次重新引導以來沒有出現(xiàn)需要重新傳輸?shù)那闆r。如果這個數(shù)字比較大，就應該考慮增加 NFS 內核線程。設置方法是將所需的線程數(shù)量傳遞給 rpc.nfsd ，比如 rpc.nfsd 128 會啟動 128 個線程。任何時候都可以進行這種設置。線程會根據(jù)需要啟動或銷毀。同樣，這個設置應該放在啟動腳本中，尤其是在系統(tǒng)上啟用 NFS 的腳本。

關于 NFS，最后要注意一點：如果可能的話，應該避免使用 NFSv2，因為 NFSv2 的性能比 v3 和 v4 差得多。在現(xiàn)代的 Linux 發(fā)行版中這應該不是問題，但是可以在服務器上檢查 nfsstat 的輸出，了解是否有任何 NFSv2 調用。

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本文討論了 LAMP 的一些基本知識以及 LAMP 安裝的一些簡單 Linux 調優(yōu)措施。除了 NFS 內核線程之外，可以設置本文中討論的參數(shù)，然后就不用理會它們了。本系列中的后兩篇文章主要關注 Apache、MySQL 和 PHP 調優(yōu)。這些組件的調優(yōu)與 Linux 的調優(yōu)有很大的差異，因為隨著通信量的增長、讀寫操作分布情況的變化和應用程序的演化，需要不斷重新考察這些參數(shù)。