高并发性能测试经验分享（下）

出现内存泄漏或者内存问题，大家第一时间都会想到valgrind。valgrind是一款非常优秀的软件，不需要重新编译程序就能够直接测试。功能也非常强大，能够检测常见的内存错误包括内存初始化、越界访问、内存溢出、free错误等都能够检测出来。推荐大家使用。

valgrind 运行的基本原理是：待测程序运行在valgrind提供的模拟CPU上，valgrind会纪录内存访问及计算值，最后进行比较和错误输出。我通过valgrind测试nginx也发现了一些内存方面的错误，简单分享下valgrind测试nginx的经验：

1.nginx通常都是使用master fork子进程的方式运行，使用–trace-children=yes来追踪子进程的信息。

2.测试nginx + openssl时，在使用rand函数的地方会提示很多内存错误。比如Conditional jump or move depends on uninitialised value，Uninitialised value was created by a heap allocation等。这是由于rand数据需要一些熵，未初始化是正常的。如果需要去掉valgrind提示错误，编译时需要加一个选项：-DPURIFY。

3.如果nginx进程较多，比如超过4个时，会导致valgrind的错误日志打印混乱，尽量减小nginx工作进程,保持为1个。因为一般的内存错误其实和进程数目都是没有关系的。

上面说了valgrind的功能和使用经验，但是valgrind也有一个非常大的缺点，就是它会显著降低程序的性能，官方文档说使用memcheck工具时，降低10-50倍。也就是说，如果nginx完全握手性能是20000 qps,那么使用valgrind测试，性能就只有400 qps左右。对于一般的内存问题，降低性能没啥影响，但是我这次的内存泄漏是在大压力测试时才可能遇到的，如果性能降低这么明显，内存泄漏的错误根本检测不出来。只能再考虑其他办法了。

address sanitizer（简称asan）是一个用来检测c/c++程序的快速内存检测工具。相比valgrind的优点就是速度快，官方文档介绍对程序性能的降低只有2倍。对Asan原理有兴趣的同学可以参考asan的算法这篇文章，它的实现原理就是在程序代码中插入一些自定义代码，如下：

编译前：

*address = ...;  //   or: ... = *address; f
编译后：
if (IsPoisoned(address)) {
ReportError(address, kAccessSize, kIsWrite);
}
*address = ...;  // or: ... = *address;

和valgrind明显不同的是，asan需要添加编译开关重新编译程序，好在不需要自己修改代码。而valgrind不需要编程程序就能直接运行。address sanitizer集成在了clang编译器中，GCC 4.8版本以上才支持。我们线上程序使用的gcc版本较低，于是我测试时直接使用clang重新编译nginx：

—with-cc=”clang” \
—with-cc-opt=”-g -fPIC -fsanitize=address -fno-omit-frame-pointer”
其中with-cc是指定编译器，with-cc-opt指定编译选项， -fsanitize=address就是开启AddressSanitizer功能。

由于AddressSanitizer对nginx的影响较小，所以大压力测试时也能达到上万的并发，内存泄漏的问题很容易就定位了。这里就不详细介绍内存泄漏的原因了，因为跟openssl的错误处理逻辑有关，是我自己实现的，没有普遍的参考意义。最重要的是，知道valgrind和asan的使用场景和方法，遇到内存方面的问题能够快速修复。

到此，经过改造的nginx程序没有core dump和内存泄漏方面的风险了。但这显然不是我们最关心的结果（因为代码本该如此），我们最关心的问题是：

1.代码优化前，程序的瓶颈在哪里？能够优化到什么程度？

2.代码优化后，优化是否彻底？会出现哪些新的性能热点和瓶颈？

这个时候我们就需要一些工具来检测程序的性能热点。

linux世界有许多非常好用的性能分析工具，我挑选几款最常用的简单介绍下：

1.perf应该是最全面最方便的一个性能检测工具。由linux内核携带并且同步更新，基本能满足日常使用。推荐大家使用。

2.oprofile，我觉得是一个较过时的性能检测工具了，基本被perf取代，命令使用起来也不太方便。比如opcontrol —no-vmlinux , opcontrol —init等命令启动，然后是opcontrol —start， opcontrol —dump， opcontrol -h停止，opreport查看结果等，一大串命令和参数。有时候使用还容易忘记初始化，数据就是空的。

3.gprof主要是针对应用层程序的性能分析工具，缺点是需要重新编译程序，而且对程序性能有一些影响。不支持内核层面的一些统计，优点就是应用层的函数性能统计比较精细，接近我们对日常性能的理解，比如各个函数时间的运行时间，，函数的调用次数等，很人性易读。

4.systemtap 其实是一个运行时程序或者系统信息采集框架，主要用于动态追踪，当然也能用做性能分析，功能最强大，同时使用也相对复杂。不是一个简单的工具，可以说是一门动态追踪语言。如果程序出现非常麻烦的性能问题时，推荐使用 systemtap。

这里再多介绍一下perf命令，tlinux系统上默认都有安装，比如通过perf top就能列举出当前系统或者进程的热点事件，函数的排序。perf record能够纪录和保存系统或者进程的性能事件，用于后面的分析，比如接下去要介绍的火焰图。

perf有一个缺点就是不直观。火焰图就是为了解决这个问题。它能够以矢量图形化的方式显示事件热点及函数调用关系。比如我通过如下几条命令就能绘制出原生nginx在ecdhe_rsa cipher suite下的性能热点： 

1.perf record -F 99 -p PID -g — sleep 10

2.perf script | ./stackcollapse-perf.pl > out.perf-folded

3../flamegraph.pl out.perf-folded>ou.svg

直接通过火焰图就能看到各个函数占用的百分比，比如上图就能清楚地知道rsaz_1024_mul_avx2和rsaz_1024_sqr_avx2函数占用了75%的采样比例。那我们要优化的对象也就非常清楚了，能不能避免这两个函数的计算？或者使用非本地CPU方案实现它们的计算？

当然是可以的，我们的异步代理计算方案正是为了解决这个问题。

从上图可以看出，热点事件里已经没有RSA相关的计算了。至于是如何做到的，后面有时间再写专门的文章来分享。

为了解决上面提到的core dump和内存泄漏问题，花了大概三周左右时间。基本上4月份对我来说就是黑色的，压力很大，精神高度紧张，感觉有些狼狈，看似几个很简单的问题，搞了几周时间。心里当然不是很爽，会有些着急，特别是项目的关键上线期。但即使这样，整个过程我还是非常自信并且斗志昂扬。我一直在告诉自己：

1.调试BUG是一次非常难得的学习机会，不要把它看成是负担。不管是线上还是线下，能够主动地，高效地追查BUG特别是有难度的BUG，对自己来说一次非常宝贵的学习机会。面对这么好的学习机会，自然要充满热情，要如饥似渴，回首一看，如果不是因为这个BUG，我也不会对一些工具有更深入地了解和使用，也就不会有这篇文档的产生。

2.不管什么样的BUG，随着时间的推移，肯定是能够解决的。这样想想，其实会轻松很多，特别是接手新项目，改造复杂工程时，由于对代码，对业务一开始并不是很熟悉，需要一个过渡期。但关键是，你要把这些问题放在心上。白天上班有很多事情干扰，上下班路上，晚上睡觉前，大脑反而会更加清醒，思路也会更加清晰。特别是白天上班时容易思维定势，陷入一个长时间的误区，在那里调试了半天，结果大脑一片混沌。睡觉前或者上下班路上一个人时，反而能想出一些新的思路和办法。

3.开放地讨论。遇到问题不要不好意思，不管多简单，多低级，只要这个问题不是你google一下就能得到的结论，大胆地，认真地和组内同事讨论。