Linux性能分析：常用工具与指令

在Linux系统运维、应用开发优化过程中，性能分析是核心技能之一。无论是排查CPU占用过高、内存泄漏，还是磁盘I/O瓶颈，熟练掌握系统自带的性能分析工具和指令，能帮助我们快速定位问题根源。本文将从系统基础信息查看、进程线程分析、CPU亲和性配置三个核心维度，详细拆解Linux性能分析的常用手段，结合实战指令与场景示例，助力运维和开发人员高效完成性能优化工作。

一、系统基础信息查看：性能分析的前提

在进行性能排查前，首先需要掌握系统的硬件资源基线，包括CPU、内存、磁盘的核心参数。这不仅能帮助我们判断硬件是否满足应用需求，更能为后续性能瓶颈定位提供参考依据。

1.1 CPU信息查看：主频、核心数与架构

CPU作为系统运算核心，其主频、核心数、缓存大小等参数直接影响系统处理能力。常用查看工具包括lscpu、/proc/cpuinfo等。

1.1.1 lscpu：简洁直观的CPU信息汇总

lscpu是最常用的CPU信息查看指令，无需复杂参数，直接执行即可输出CPU的核心参数，包括架构、核心数、线程数、主频、缓存等：

lscpu

核心输出解读：

• Architecture：CPU架构（如x86_64、aarch64）；
• CPU(s)：总逻辑CPU数（物理核心数×超线程数）；
• Thread(s) per core：每个核心的线程数（超线程开启时为2）；
• Core(s) per socket：每个CPU插槽的物理核心数；
• Socket(s)：CPU插槽数；
• CPU MHz：CPU当前主频（动态调频时会变化）；
• CPU max MHz：CPU最大主频；
• CPU min MHz：CPU最小主频；
• Cache L1d/L1i/L2/L3：各级缓存大小。

1.1.2 /proc/cpuinfo：详细CPU硬件信息

/proc/cpuinfo是内核提供的虚拟文件，包含CPU的底层硬件信息，适合需要精准获取单个核心参数的场景。通过 grep 过滤关键信息：

# 查看CPU主频（所有核心）
cat /proc/cpuinfo | grep "cpu MHz"
# 查看物理核心数（去重统计）
cat /proc/cpuinfo | grep "physical id" | sort | uniq | wc -l
# 查看每个物理核心的逻辑线程数
cat /proc/cpuinfo | grep "siblings"
# 查看CPU型号
cat /proc/cpuinfo | grep "model name" | head -n 1

注意：/proc/cpuinfo会为每个逻辑CPU输出一段信息，因此通过“physical id”去重可得到物理核心数，通过“core id”可区分同一物理核心的不同线程。

1.2 内存（RAM）信息查看：容量、使用状态

内存是应用运行的关键资源，内存不足或泄漏会直接导致系统卡顿、应用崩溃。常用工具包括free、vmstat、/proc/meminfo。

1.2.1 free：快速查看内存使用概况

free指令用于显示系统内存的总容量、已用、空闲、缓存等状态，常用参数-h（人性化显示单位）、-m（以MB为单位）：

free -h

输出解读：

• total：物理内存总容量；
• used：已使用内存（包含应用占用、缓存、缓冲区）；
• free：完全空闲的内存；
• shared：共享内存占用；
• buff/cache：缓冲区（buffer）+ 页缓存（cache）占用；
• available：实际可分配给应用的内存（free + buff/cache中可回收部分）。

关键说明：Linux系统会主动使用空闲内存作为缓存（加速文件读写），因此used包含缓存是正常现象，判断内存是否充足应重点关注available。

1.2.2 /proc/meminfo：详细内存参数

/proc/meminfo提供比free更详细的内存信息，包括内核占用、交换分区、缓存细分等：

# 查看内存总容量、空闲、缓存
cat /proc/meminfo | grep -E "MemTotal|MemFree|MemAvailable|Buffers|Cached"

核心字段：

• MemTotal：物理内存总容量；
• MemFree：完全空闲内存；
• MemAvailable：可分配内存（与free -h的available一致）；
• Buffers：块设备缓冲区（如磁盘I/O缓存）；
• Cached：页缓存（如文件内容缓存）；
• SwapTotal/SwapFree：交换分区总容量/空闲容量。

1.2.3 vmstat：内存与I/O状态监控

vmstat不仅能查看内存使用，还能监控CPU、磁盘I/O、交换分区等状态，适合持续观察内存变化：

# 每2秒输出一次，共输出5次
vmstat 2 5

内存相关字段：

• si：每秒从交换分区读入内存的大小（换入）；
• so：每秒从内存写入交换分区的大小（换出）；
• 若si、so持续不为0，说明物理内存不足，系统频繁使用交换分区，会严重影响性能。

1.3 磁盘信息查看：容量、分区、I/O状态

磁盘I/O瓶颈是数据库、文件服务器等应用的常见问题，需先掌握磁盘容量、分区结构，再进一步排查I/O性能。常用工具包括df、du、lsblk、iostat。

1.3.1 df：磁盘分区容量查看

df用于显示文件系统的磁盘空间使用情况，常用参数-h（人性化单位）、-T（显示文件系统类型）：

df -hT

输出解读：

• Filesystem：文件系统（分区）名称；
• Type：文件系统类型（如ext4、xfs、tmpfs）；
• Size：分区总容量；
• Used：已使用容量；
• Avail：可用容量；
• Use%：使用率；
• Mounted on：挂载点。

注意：df统计的是分区层面的容量，若某分区使用率接近100%，需及时清理文件或扩容。

1.3.2 du：目录/文件占用空间统计

df查看分区容量，du则用于统计具体目录或文件的占用空间，常用参数-h（人性化单位）、-s（汇总统计，不显示子目录）、-c（显示总计）：

# 统计/home目录总占用空间
du -sh /home
# 统计当前目录下各子目录占用，显示总计
du -hc *

实战场景：当df显示分区使用率过高时，用du定位大文件/目录：

# 查找/目录下大于100MB的文件
du -ah / --max-depth=1 | grep -E "[0-9]+M" | sort -nr

1.3.3 lsblk：磁盘分区结构查看

lsblk（list block devices）用于显示磁盘、分区的层级结构，清晰展示磁盘与分区的对应关系：

lsblk

输出解读：

• NAME：设备名称（如sda、sda1、nvme0n1）；
• MAJ:MIN：主设备号:次设备号；
• RM：是否为可移动设备（1=是，0=否）；
• SIZE：设备容量；
• RO：是否为只读（1=是，0=否）；
• TYPE：类型（disk=磁盘，part=分区，loop=循环设备）；
• MOUNTPOINT：挂载点（未挂载则为空）。

1.3.4 iostat：磁盘I/O性能监控

iostat用于监控磁盘I/O的读写速率、响应时间等，需安装sysstat包（yum install sysstat或apt install sysstat）：

# 每2秒输出一次，共3次，显示所有磁盘
iostat -x 2 3

核心字段（-x参数显示扩展统计）：

• %util：磁盘I/O使用率（核心指标，接近100%说明I/O饱和）；
• tps：每秒I/O请求数；
• rkB/s/wkB/s：每秒读/写数据量（KB）；
• avgrq-sz：平均每个I/O请求的大小（扇区数）；
• avgqu-sz：平均I/O队列长度（数值越大，等待时间越长）；
• await：平均每次I/O请求的等待时间（毫秒，包含队列等待+设备处理时间）；
• svctm：设备处理每次I/O请求的时间（毫秒）。

二、进程与线程分析：定位资源占用源头

系统性能问题往往与具体进程/线程相关（如某进程CPU占用100%、内存泄漏）。掌握ps、top、htop等工具，能快速定位异常进程，分析其资源占用、线程状态、运行核心等。

2.1 ps：进程静态信息查看

ps（process status）用于列出系统当前的进程信息，支持多种参数组合，适合静态查询（快照式）。

2.1.1 常用参数组合

指令	功能描述
ps aux	显示所有用户的所有进程（BSD风格），包含CPU、内存占用
ps -ef	显示所有进程的完整信息（System V风格），包含父进程ID（PPID）
ps -T -p <pid>	查看指定进程的所有线程
ps -Lfp <pid>	查看指定进程的线程详情（包含线程ID、CPU核心）
ps aux --sort=-%cpu	按CPU使用率降序排序
ps aux --sort=-%mem	按内存使用率降序排序

2.1.2 输出字段解读（以ps aux为例）

• USER：进程所属用户；
• PID：进程ID（唯一标识）；
• %CPU：进程占用的CPU百分比（按逻辑CPU核心数计算，如4核CPU下最大为400%）；
• %MEM：进程占用的物理内存百分比；
• VSZ：虚拟内存大小（KB）；
• RSS：物理内存常驻大小（KB，进程实际占用的内存）；
• TTY：进程所属终端（?表示无终端，如后台进程）；
• STAT：进程状态（关键字段）；
• START：进程启动时间；
• TIME：进程累计占用的CPU时间；
• COMMAND：进程启动命令（包含参数）。

2.1.3 进程状态（STAT）含义

状态符	含义
R	运行中（正在占用CPU或等待CPU调度）
S	可中断睡眠（等待某个事件完成，如I/O）
D	不可中断睡眠（深度睡眠，通常与磁盘I/O相关，无法被kill）
Z	僵尸进程（进程已终止，但父进程未回收其资源）
T	暂停状态（被ctrl+z或kill -STOP暂停）
<	高优先级进程
N	低优先级进程
L	包含分页锁定在内存中的进程（如实时进程）
+	前台进程组中的进程

2.1.4 线程查看示例

# 查看PID为1234的进程的所有线程（BSD风格）
ps -T -p 1234
# 查看PID为1234的进程的线程详情（包含线程ID、CPU核心）
ps -Lfp 1234

输出字段：

• LWP：线程ID（Light Weight Process）；
• NLWP：该进程的线程总数；
• PSR：线程当前运行的CPU核心编号（0开始）。

2.2 top：进程动态监控

top是实时监控进程资源占用的核心工具，默认每3秒刷新一次，支持交互操作，适合持续观察异常进程。

2.2.1 基本使用与输出解读

直接执行top，输出分为两部分：

• 系统状态行（前5行）：

  1. 第一行：系统时间、运行时间、登录用户数、负载均衡（load average：1分钟、5分钟、15分钟平均负载，通常不超过CPU核心数）；
  2. 第二行：进程总数（total）、运行中（running）、睡眠（sleeping）、停止（stopped）、僵尸（zombie）进程数；
  3. 第三行：CPU使用率（us=用户态，sy=内核态，ni= nice值调整的优先级进程，id=空闲，wa=等待I/O的CPU时间，hi=硬中断，si=软中断，st=虚拟化窃取的CPU时间）；
  4. 第四行：内存使用（总量、已用、空闲、缓存）；
  5. 第五行：交换分区使用（总量、已用、空闲、缓冲）。

• 进程列表（后续行）：字段与ps类似，重点关注PID、%CPU、%MEM、COMMAND。

2.2.2 常用交互命令（top运行中输入）

命令	功能
P	按CPU使用率降序排序
M	按内存使用率降序排序
T	按进程累计CPU时间降序排序
H	显示线程（默认只显示进程，开启后进程行下会显示其线程）
f	自定义显示字段（可添加PSR（CPU核心）、NLWP（线程数）等）
o	调整排序字段
k	终止进程（输入PID后按回车，再输入信号量，如9强制终止）
r	调整进程优先级（nice值，范围-20~19，值越小优先级越高）
q	退出top

2.2.3 线程监控示例

# 实时监控PID为1234的进程的线程（按CPU排序）
top -H -p 1234

• -H：强制显示线程（每个线程作为一行）；
• -p <pid>：只监控指定进程；
• 结合交互命令P，可快速找到该进程中CPU占用最高的线程。

2.3 htop：top的增强版工具

htop是top的替代工具，界面更友好，支持鼠标操作，默认显示更多实用信息（如CPU核心、内存使用条形图、线程树），需手动安装（yum install htop或apt install htop）。

2.3.1 核心优势

1. 彩色界面，资源占用用条形图直观展示；
2. 支持鼠标点击排序、选择进程；
3. 默认显示CPU核心数与每个核心的使用率；
4. 内置进程树视图（按F5）；
5. 支持快速终止进程（F9）、调整优先级（F7/F8）；
6. 可直接查看线程（默认按H键开启/关闭）。

2.3.2 常用操作

操作	功能
F1	查看帮助文档
F2	自定义界面（添加/删除字段、调整显示样式）
F3	搜索进程/线程（输入关键词）
F4	过滤进程/线程（仅显示包含关键词的条目）
F5	切换进程树视图（显示父进程与子进程关系）
F7	降低进程优先级（nice值+1）
F8	提高进程优先级（nice值-1）
F9	终止进程（选择信号量，如9=强制终止）
F10	退出htop
H	开启/关闭线程显示
U	筛选指定用户的进程
P	按CPU使用率排序
M	按内存使用率排序

2.3.3 查看进程运行的CPU核心

在htop中，开启线程显示（H键）后，选中目标进程/线程，查看界面左侧的CPU核心编号（或通过F2添加“PSR”字段），即可知道该进程/线程当前运行在哪个CPU核心上。

2.4 进程/线程运行核心查询：精准定位调度状态

除了ps和htop，还可以通过以下指令直接查询进程/线程运行的CPU核心：

2.4.1 查看进程运行的CPU核心

# 方法1：ps显示进程的CPU核心（PSR字段）
ps -o pid,ppid,cmd,%cpu,%mem,psr -p <pid>
# 方法2：通过/proc/<pid>/stat文件查询（第39字段为CPU核心编号）
cat /proc/<pid>/stat | awk '{print "CPU核心：" $39}'
# 方法3：taskset查看进程的CPU亲和性（允许运行的核心）
taskset -cp <pid>

2.4.2 查看线程运行的CPU核心

线程是调度的基本单位，每个线程可独立运行在不同核心上。查询线程核心需用到线程ID（LWP）：

# 1. 先获取进程的所有线程ID（LWP）
ps -T -p <pid>
# 2. 查看指定线程的CPU核心（将<tid>替换为线程ID）
ps -o pid,lwp,psr -p <pid> -L <tid>
# 或通过/proc/<pid>/task/<tid>/stat查询
cat /proc/<pid>/task/<tid>/stat | awk '{print "CPU核心：" $39}'

三、CPU亲和性配置：taskset工具详解

CPU亲和性（CPU Affinity）是指将进程/线程绑定到指定的CPU核心上运行，避免系统调度器频繁切换核心，减少缓存失效（CPU缓存是核心私有资源，切换核心会导致缓存重新加载），从而提升性能。taskset是Linux系统自带的CPU亲和性配置工具。

3.1 taskset核心概念

• CPU亲和性掩码（Affinity Mask）：用二进制表示进程可运行的CPU核心。例如，4核CPU（核心0~3）的掩码0x03（二进制0011）表示允许运行在核心0和1上；
• 核心列表（Core List）：用逗号分隔的核心编号（0开始），更直观，如0,2-3表示核心0、2、3；
• taskset支持两种模式：掩码模式（默认）和列表模式（-c参数）。

3.2 taskset语法格式

# 查看进程的CPU亲和性
taskset [选项] -p <pid>
# 设置进程的CPU亲和性
taskset [选项] -p <掩码/核心列表> <pid>
# 启动进程时指定CPU亲和性
taskset [选项] <掩码/核心列表> <命令>

常用选项

• -p：操作已存在的进程（指定PID）；
• -c：使用核心列表（而非掩码），更易理解；
• -a：当指定多个PID时，对所有PID生效；
• --all-tasks：对进程的所有线程生效（默认仅对主线程生效）。

3.3 查看CPU亲和性（允许运行的核心）

# 方法1：列表模式（推荐），查看PID为1234的进程的亲和性
taskset -cp 1234
# 输出示例：pid 1234's current affinity list: 0-3（允许运行在核心0~3）# 方法2：掩码模式，查看PID为1234的进程的亲和性（十六进制掩码）
taskset -p 1234
# 输出示例：pid 1234's current affinity mask: f（十六进制f=二进制1111，对应核心0~3）

3.4 设置CPU亲和性：指定进程/线程运行的核心

3.4.1 为已运行的进程设置亲和性

# 示例1：将PID为1234的进程绑定到核心0（列表模式）
taskset -cp 0 1234
# 输出示例：pid 1234's new affinity list: 0# 示例2：将PID为1234的进程绑定到核心0、2、3（列表模式，逗号分隔单个核心，短横线表示范围）
taskset -cp 0,2-3 1234
# 输出示例：pid 1234's new affinity list: 0,2-3# 示例3：掩码模式（不推荐，需手动转换），绑定核心0和1（掩码0x03=二进制0011）
taskset -p 0x03 1234

3.4.2 启动进程时指定亲和性

# 示例1：启动./app程序，绑定到核心1和2
taskset -c 1-2 ./app# 示例2：启动Python脚本，绑定到核心0、3
taskset -c 0,3 python script.py

3.4.3 为线程设置亲和性

taskset默认对进程的主线程生效，若需为进程的特定线程设置亲和性，需指定线程ID（TID）：

# 1. 先获取进程1234的所有线程ID（LWP）
ps -T -p 1234
# 假设线程ID为1235# 2. 为线程1235绑定到核心2
taskset -cp 2 1235

注意：线程的亲和性会继承自进程，但可单独设置，且优先级高于进程亲和性。

3.5 关键注意事项

1. 核心编号从0开始：CPU核心编号以0为起始（如4核CPU为0、1、2、3），避免误将核心1当作第一个核心；
2. 亲和性是“允许”而非“强制”：设置亲和性后，进程/线程只会在指定核心上运行，但核心繁忙时仍会等待调度，不会抢占核心；
3. 避免绑定过多核心：若应用为单线程，绑定到单个核心即可（减少缓存失效）；多线程应用可绑定到多个核心，但需避免跨NUMA节点（可通过lscpu | grep NUMA查看NUMA节点）；
4. 设置后重启失效：taskset设置的亲和性仅对当前进程有效，进程重启后会恢复默认（允许所有核心），若需持久化，需在启动脚本中添加taskset指令；
5. root权限：设置其他用户的进程亲和性需root权限（sudo）。

四、实战场景：性能排查与优化示例

结合上述工具，我们通过一个实战场景演示性能分析的完整流程：

场景：系统CPU使用率持续过高，排查原因并优化

步骤1：查看系统CPU整体状态

top  # 或 htop

发现%us（用户态CPU使用率）高达90%，系统负载（load average）超过CPU核心数（4核CPU，load average=8.5）。

步骤2：定位CPU占用最高的进程

# 按CPU使用率降序排序，查看前10个进程
ps aux --sort=-%cpu | head -n 10

发现PID为5678的java进程CPU占用率达350%（4核CPU下，相当于占用3.5个核心）。

步骤3：分析该进程的线程状态

# 实时监控该进程的线程（按CPU排序）
top -H -p 5678

发现该进程下有4个线程（LWP：5679、5680、5681、5682），每个线程CPU占用率约80%，且分散在4个核心上运行。

步骤4：查看线程运行的CPU核心

# 查看该进程的所有线程及其运行核心
ps -Lfp 5678

发现4个线程分别运行在核心0、1、2、3上，由于该应用是CPU密集型，跨核心运行导致缓存频繁失效，性能下降。

步骤5：优化CPU亲和性

将4个线程绑定到相邻的核心0~3（或根据NUMA节点绑定到同一节点的核心），减少缓存失效：

# 为进程5678设置亲和性（允许运行在核心0~3）
taskset -cp 0-3 5678
# 或为每个线程单独绑定核心（假设线程ID为5679~5682）
taskset -cp 0 5679
taskset -cp 1 5680
taskset -cp 2 5681
taskset -cp 3 5682

步骤6：验证优化效果

再次通过top、htop监控，发现java进程CPU占用率降至300%，系统负载降至4.2，应用响应速度提升约20%。