Chapter 13.一次性能测试和优化过程

我是真的狗我是真的狗 - 2023-03-08 07:55:33

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背景

最近一个项目上线前QA对压测结果不是很满意（并且表示之前的项目压测结果也都不理想），于是我在上线后（上线前是肯定来不及了）开始了一轮性能测试、排查和优化，记录一下整个过程。

思考过程基础信息

QA同学提供的压测环境与结论：

施压侧：

并发度100～300；持续运行120～300秒；

被压侧：

单副本资源1C2G；副本数1～4；

结果表现：

CPU：单副本100%（但有时出现某副本100%，其他副本60～80%左右）；内存：单副本15～20%（但有时出现某副本高至50%）QPS：单副本100～120；响应耗时：Avg(487～596ms)；50TH(19～27ms)；90TH(1867～3099ms)；95TH(2409～3902ms)；99TH(4460～7002ms)；MAX(8589～13298ms)；核心问题

关于性能、压测等相关概念可参考「Foundation 11.性能是什么」

QPS表现较低；CPU占用过高，很快被打满；响应耗时存在少量（90TH以上）过高；当前这三者是有关联的，当前看来单个请求对于CPU资源需求较高，导致在小并发下CPU资源已占满；
随着并发度增高，系统通过频繁调度来分配CPU资源，调度磨损增加（用于处理业务逻辑的比例降低）；
因此CPU占用过高也会一定程度拖累响应耗时、QPS表现。怀疑方向硬件性能：之前有发现压测环境结果较比生产环境低，且两侧环境为独立的集群，因此怀疑两侧集群节点本身硬件性能差异较大；执行过程：由于是PHP FPM模式下运行的服务，FastCGI处理过程、PHP代码解释执行过程等都可能造成CPU资源的占用、耗时；IO阻塞度：业务逻辑中复杂（多次）同步阻塞请求（三方HTTP接口、MySQL、Redis）较比简单（少次）会造成请求响应需要时间变长，降低QPS；短连资源：整个服务对三方HTTP接口、MySQL、Redis都采用的短连，连接仅在请求周期内复用，请求结束后释放，对于连接的频繁创建销毁也会占用CPU资源、耗时；框架磨损：新版开发框架投入使用后没有太关注性能磨损问题，理论上这块一定会存在磨损，只是程度和关键磨损点问题。排查方法

（尽量）控制其他变量保持相同的情况下，针对要排查的环节、对象进行多组压测对比，记录并分析得出结论。

实践与结论定位基准

由于QA提供的结论看起来存在很多不稳定性，因此我决定在压测环境上基于该项目先进行一波测试，作为后续对比、分析、研究等排查工作的基准。

第一波测试资源情况程序情况接口复杂度并发度QPSAVG50TH90TH95TH99THMAXCPU（峰值）2C2GPHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查2980------802C2GPHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查2490------90

从第一波测试记录数据（因为QPS表现已发生过于不稳定现象了，其他数据就暂时没有关注和记录）很容易发现，除了我控制住的变量外，一定还存在一个我没发现的变量影响了压测表现；
而这两次测试存在的变量只有两个：

测试时间：由于压测服务做了串行控制（同一个时间点只能最多一个压测任务执行），上述两波测试是在不同的时间点进行的。被测副本：由于压测环境需要很多配置成本，没有分别配置两套压测环境，上述两波测试之间进行了应用副本重建（重新构建了服务）。

为了进一步排查上述两个变量，我每次多次重建副本，每次重建副本后进行相隔一段时间的多组压测，现象如下：

相同副本（不重建副本）中的表现是稳定的（如果是500上下则一直是500上下，如果是1000上下则一直是1000上下），甚至到第二天仍旧是稳定的；不同副本（重建副本）时的表现会发生波动（比如500变成1000，1000变500），但也不是每次重建都必然发生波动切换。

基于上述现象，基本可以排除时间差异，而怀疑副本调度到的节点的硬件或其他基础设施的差异导致；
我将此问题报告给服务器基础设施团队后协助排查定位，最终发现压测环境4个节点其中1个节点的CPU基频在1.5～3.5GHz之间动态波动（正常4个节点都应该是3.5GHz）；

在他们解决问题的同时，我管他们要了一个独立节点来继续我的测试，后面所有资源将按照下述描述：

新节点：代表管他们要来的独立节点，性能本身很差，2C表现还不如原节点1C好；原节点：代表除CPU异常节点之外的压测环境节点（理论上与生产环境节点性能仍有差距）；X号副本：代表副本重建，相同的X代表副本未经过重建；原节点有意义（由于压测环境节点仍旧会有一些细微差异），新节点无意义（就只有一个节点）；健康检查：代表业务上一个接口直接返回，没有业务逻辑和三方请求；简单逻辑：代表业务上一个接口包含一个MySQL查询；简单逻辑*x：代表业务上一个接口包含x个相同的MySQL查询；复杂逻辑：代表该项目业务真实逻辑（一个接口包含2～8次MySQL、Redis、HTTP接口请求等）；继续测试资源情况程序情况接口复杂度并发度QPSAVG50TH90TH95TH99THMAXCPU（峰值）2C2G；新节点；0号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查11625.63666820311C2G；原节点；1号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查14961.632222217801C2G；原节点；2号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查14841.672223138732C2G；新节点；0号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查55268.6667404716861001C2G；原节点；1号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查56606.4322727723001001C2G；原节点；2号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查56246.92373789001002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查2046241.74793939518581001C2G；原节点；1号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查2053036.32396969724021001C2G；原节点；2号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查2050938.11396979817151002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查50371129.510220020329820231001C2G；原节点；1号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查50472104.1210019519720230561001C2G；原节点；2号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查50446110.3100197199297182794新节点在并发1～5之间达到CPU100%，QPS最高表现也在这之间达到（理论上会略高于526），表现确实很拉垮。。。原节点在并发1～5之间达到CPU100%，QPS最高表现也在这之间达到（理论上会略高于660/624）。CPU未打满时，随着并发度提高，QPS、CPU占用率也随之增长，响应耗时保持稳定；CPU打满后，随着并发度提高，QPS先稳定后逐步降低，响应耗时逐步增大。PHP8&Jit资源情况程序情况接口复杂度并发度QPSAVG50TH90TH95TH99THMAXCPU（峰值）2C2G；新节点；0号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查18311.1311171819158302C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache新框架+健康检查18411.041117181988302C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+健康检查18211.2111718191674382C2G；新节点；0号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查528715.671342485716821002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache新框架+健康检查529015.66124248581711002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+健康检查528815.871242485917301002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查2027270.679410310719217401002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache新框架+健康检查2027370.59410310719320811002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+健康检查2027271.349410310719218071002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查50239200.0420030239849719981002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache新框架+健康检查50251195.9119930239548921051002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+健康检查50249197.1820030239649221831002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查100216454.79403797901120026641002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache新框架+健康检查100225438.31404746896119325421002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+健康检查100222444.76407744.989210992443100PHP8.0较比7.4在业务代码不动的情况下（基于7.4及之前语法）没有直接的性能提升；CPU消耗大头不在opcache转machine code环节（想想也是）；PHP8.0+Jit目前无法带来并发和性能表现的提升。IO堵塞次数资源情况程序情况接口复杂度并发度QPSAVG50TH90TH95TH99THMAXCPU（峰值）2C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+健康检查11562.716668198302C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+简单逻辑1979.721010111327352C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+简单逻辑*517512.58121314161607272C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+复杂逻辑18211.2111718191674382C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+健康检查55089.096841481653992C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+简单逻辑529715.681044516020461002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+简单逻辑*5528216.51133443531809982C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+复杂逻辑528815.871242485917301002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+健康检查2045142.92893949618431002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+简单逻辑2027570.919410110419117401002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+简单逻辑*52026972.799210110518818091002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+复杂逻辑2027271.349410310719218071002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+健康检查50386126.5210319920229619891002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+简单逻辑50247197.519929930340420791002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+简单逻辑*550246200.2619929830140020671002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+复杂逻辑50249197.1820030239649221831002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+健康检查100357273.75292399473.6551020891002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+简单逻辑100233424.7240260269789723891002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+简单逻辑*5100226438.53403604699852.9824171002C2G；新节点；0号副本PHP-FPM8.0+OPcache+JIt新框架+复杂逻辑100222444.76407744.989210992443100逻辑中不同程度的IO会导致单次请求的响应耗时增加，但对CPU的占用率影响较小；请求响应耗时高阻塞IO较比低阻塞IO普遍增加；并发度未将CPU打满时，高阻塞IO较比低阻塞IO的QPS表现要低；当并发度提升将CPU打满后，高阻塞IO较比低阻塞IO的QPS表现几乎一致PDO长连接资源情况程序情况接口复杂度并发度QPSAVG50TH90TH95TH99THMAXCPU（峰值）1C2G；原节点；2号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+简单逻辑+短连11396.56566152112401C2G；原节点；2号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+简单逻辑+长连12074.2334491337451C2G；原节点；2号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+简单逻辑+短连22417.335612331077831C2G；原节点；2号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+简单逻辑+长连23564.62346221060911C2G；原节点；2号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+简单逻辑+短连527416.37566748617221001C2G；原节点；2号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+简单逻辑+长连542710.3339677312931001C2G；原节点；2号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+简单逻辑+短连2026573.19931031963021778881C2G；原节点；2号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+简单逻辑+长连2039349.3112971001031742951C2G；原节点；2号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+简单逻辑+短连50253195.05198300398599.791914881C2G；原节点；2号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+简单逻辑+长连50345142.961022002023002136921C2G；原节点；2号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+简单逻辑+短连100241401.153976017051203.12644991C2G；原节点；2号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+简单逻辑+长连100325303.062994965017012205100

网络连接资源复用较比不复用在当前业务特点下能带来：

提升35～55%QPS；降低25～37%响应耗时。框架截断资源情况程序情况接口复杂度并发度QPSAVG50TH90TH95TH99THMAXCPU（峰值）1C2G；原节点；3号副本PHP-FPM7.4+OPcache入口文件直接返回2065052.721126817741001C2G；原节点；3号副本PHP-FPM7.4+OPcache入口文件解析完请求2059562.721116918321001C2G；原节点；3号副本PHP-FPM7.4+OPcache引入自动加载之后2043413.611127721081001C2G；原节点；3号副本PHP-FPM7.4+OPcache加载项目配置之后2022788.1612868911011001C2G；原节点；3号副本PHP-FPM7.4+OPcache加载底层配置之后2084923.04294949518671001C2G；原节点；3号副本PHP-FPM7.4+OPcache注册全部请求接口之后2063030.97295969718991001C2G；原节点；3号副本PHP-FPM7.4+OPcache健康检查完整处理2051637.623969798187877

磨损主要发生环节：

引入自动加载（composer autoload）；加载项目配置；加载底层配置。优化方向短连改长连

将请求MySQL、Redis的连接模式改成长连接，将连接周期由请求级别延伸至FPM进程级别，以此减少连接创建销毁操作降低CPU占用、减少响应耗时提升性能整体表现。

但考虑到：

MySQL、Redis连接数将几乎与FPM开启的Work进程数量一致；多项目、多组共用MySQL、Redis；短连模式下，QPS过高反而会带来本地端口用尽的问题（具体见本文最后）。

决定暂时不采用此方案。

缓存项目与底层配置

将原先每次请求都读取多个ini配置文件并解析结构改造成初始化时读取并解析然后回写为php数组文件：

避免config map的性能影响（原先这些ini配置都是通过config map挂载进项目）；节省ini配置解析成本（php文件直接借用php本身opcache、jit优化就足够）。

我将这个优化做到了新框架的后续版本中，并且压测验证：

资源情况程序情况接口复杂度并发度QPSAVG50TH90TH95TH99THMAXCPU（峰值）1C2G；原节点；4号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查+不缓存配置14801.62222220771C2G；原节点；4号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查+缓存配置17051.0511221775791C2G；原节点；4号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查+不缓存配置26192.552223525261001C2G；原节点；4号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查+缓存配置210831.541122622751001C2G；原节点；4号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查+不缓存配置56596.822727724091001C2G；原节点；4号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查+缓存配置510604.361227223351001C2G；原节点；4号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查+不缓存配置2053037.09396979823981001C2G；原节点；4号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查+缓存配置2097020.18293949526011001C2G；原节点；4号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查+不缓存配置50469105.58100196198231.9927991001C2G；原节点；4号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查+缓存配置5094652.2290989910329011001C2G；原节点；4号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查+不缓存配置100415239.4320239440059830001001C2G；原节点；4号副本PHP-FPM7.4+OPcache新框架+健康检查+缓存配置100920107.891001951992892609100

缓存配置较比不缓存对没有连接和阻塞IO的逻辑能带来：

提升46～121%QPS；降低34~54%响应耗时；并发度越高，效果越明显（在可承受的并发度范围内）。

我也对带上不同程度业务逻辑的场景进行了测试；

简单逻辑下缓存配置较比不缓存能带来：

提升9～14%QPS；降低9~12%响应耗时；

复杂逻辑下缓存配置较比不缓存能带来：

提升4～17%QPS；降低5~14%响应耗时；换运行模式

如果前面两者都不可用或者不能满足需要的时候，可以考虑更换当前这种FPM的运行模式，改用Cli+异步模型：

天生可以使用MySQL、Redis、HTTP等连接池技术，又不需要当心连接数过多的问题；进一步减少代码解释执行过程的消耗，Opcache和Jit技术可以进一步发挥作用；异步搭配yield/Fiber，或是swoole封装的异步库充分利用CPU，提升单接口响应效率。

但这样无疑是存在较高的成本和风险的：

现有的框架、库包都是基于同步阻塞封装的，异步可能带来并发争竞隐患；FPM同步阻塞模型牺牲一定性能带来的是开发效率和门槛的优势，如果换成异步模型，对开发人员和业务无疑会带来更高的门槛和风险；类似swoole+异步协程其实几乎都相当于换了大半个语言了。整体结论目前1C2G在压测环境一般的逻辑都可以达到250甚至更高了，暂时满足我们的业务需求（更高的性能表现可以通过扩展副本来实现）；还有很多的优化方案和空间，但考虑到团队目前的情况和方案的成本与风险，暂时不开展这类方案。短连单副本QPS过高的问题

当前的系统设置为：

本地可用客户端端口范围：32768~60999time wait状态快速回收和重用：没有权限，但根据现象观察应该是60s

当我调大CPU资源为2C压测一个简单逻辑（每个请求会创建一个MySQL连接，请求结束就主动close连接）时，QPS达到500上下，但最后几秒会出现本地端口用尽的问题。

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