Chapter 13.一次性能测试和优化过程

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2023年03月08日 22:51 · 阅读数 13

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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	QPS	AVG	50TH	90TH	95TH	99TH	MAX	CPU（峰值）
2C2G	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查	2	980	-	-	-	-	-	-	80
2C2G	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查	2	490	-	-	-	-	-	-	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	QPS	AVG	50TH	90TH	95TH	99TH	MAX	CPU（峰值）
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查	1	162	5.63	6	6	6	8	20	31
1C2G；原节点；1号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查	1	496	1.63	2	2	2	2	217	80
1C2G；原节点；2号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查	1	484	1.67	2	2	2	3	138	73
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查	5	526	8.66	6	7	40	47	1686	100
1C2G；原节点；1号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查	5	660	6.43	2	2	72	77	2300	100
1C2G；原节点；2号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查	5	624	6.9	2	3	73	78	900	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查	20	462	41.74	7	93	93	95	1858	100
1C2G；原节点；1号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查	20	530	36.32	3	96	96	97	2402	100
1C2G；原节点；2号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查	20	509	38.11	3	96	97	98	1715	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查	50	371	129.5	102	200	203	298	2023	100
1C2G；原节点；1号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查	50	472	104.12	100	195	197	202	3056	100
1C2G；原节点；2号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查	50	446	110.3	100	197	199	297	1827	94

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	QPS	AVG	50TH	90TH	95TH	99TH	MAX	CPU（峰值）
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查	1	83	11.13	11	17	18	19	158	30
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache	新框架+健康检查	1	84	11.04	11	17	18	19	88	30
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+健康检查	1	82	11.2	11	17	18	19	1674	38
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查	5	287	15.67	13	42	48	57	1682	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache	新框架+健康检查	5	290	15.66	12	42	48	58	171	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+健康检查	5	288	15.87	12	42	48	59	1730	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查	20	272	70.67	94	103	107	192	1740	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache	新框架+健康检查	20	273	70.5	94	103	107	193	2081	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+健康检查	20	272	71.34	94	103	107	192	1807	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查	50	239	200.04	200	302	398	497	1998	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache	新框架+健康检查	50	251	195.91	199	302	395	489	2105	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+健康检查	50	249	197.18	200	302	396	492	2183	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查	100	216	454.79	403	797	901	1200	2664	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache	新框架+健康检查	100	225	438.31	404	746	896	1193	2542	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+健康检查	100	222	444.76	407	744.9	892	1099	2443	100

PHP8.0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	QPS	AVG	50TH	90TH	95TH	99TH	MAX	CPU（峰值）
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+健康检查	1	156	2.71	6	6	6	8	198	30
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+简单逻辑	1	97	9.72	10	10	11	13	27	35
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+简单逻辑*5	1	75	12.58	12	13	14	16	1607	27
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+复杂逻辑	1	82	11.2	11	17	18	19	1674	38
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+健康检查	5	508	9.09	6	8	41	48	1653	99
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+简单逻辑	5	297	15.68	10	44	51	60	2046	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+简单逻辑*5	5	282	16.51	13	34	43	53	1809	98
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+复杂逻辑	5	288	15.87	12	42	48	59	1730	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+健康检查	20	451	42.92	8	93	94	96	1843	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+简单逻辑	20	275	70.91	94	101	104	191	1740	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+简单逻辑*5	20	269	72.79	92	101	105	188	1809	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+复杂逻辑	20	272	71.34	94	103	107	192	1807	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+健康检查	50	386	126.52	103	199	202	296	1989	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+简单逻辑	50	247	197.5	199	299	303	404	2079	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+简单逻辑*5	50	246	200.26	199	298	301	400	2067	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+复杂逻辑	50	249	197.18	200	302	396	492	2183	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+健康检查	100	357	273.75	292	399	473.65	510	2089	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+简单逻辑	100	233	424.72	402	602	697	897	2389	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+简单逻辑*5	100	226	438.53	403	604	699	852.98	2417	100
2C2G；新节点；0号副本	PHP-FPM8.0+OPcache+JIt	新框架+复杂逻辑	100	222	444.76	407	744.9	892	1099	2443	100

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	QPS	AVG	50TH	90TH	95TH	99TH	MAX	CPU（峰值）
1C2G；原节点；2号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+简单逻辑+短连	1	139	6.56	5	6	6	15	2112	40
1C2G；原节点；2号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+简单逻辑+长连	1	207	4.23	3	4	4	9	1337	45
1C2G；原节点；2号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+简单逻辑+短连	2	241	7.33	5	6	12	33	1077	83
1C2G；原节点；2号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+简单逻辑+长连	2	356	4.62	3	4	6	22	1060	91
1C2G；原节点；2号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+简单逻辑+短连	5	274	16.37	5	66	74	86	1722	100
1C2G；原节点；2号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+简单逻辑+长连	5	427	10.33	3	9	67	73	1293	100
1C2G；原节点；2号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+简单逻辑+短连	20	265	73.19	93	103	196	302	1778	88
1C2G；原节点；2号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+简单逻辑+长连	20	393	49.31	12	97	100	103	1742	95
1C2G；原节点；2号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+简单逻辑+短连	50	253	195.05	198	300	398	599.79	1914	88
1C2G；原节点；2号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+简单逻辑+长连	50	345	142.96	102	200	202	300	2136	92
1C2G；原节点；2号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+简单逻辑+短连	100	241	401.15	397	601	705	1203.1	2644	99
1C2G；原节点；2号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+简单逻辑+长连	100	325	303.06	299	496	501	701	2205	100

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	QPS	AVG	50TH	90TH	95TH	99TH	MAX	CPU（峰值）
1C2G；原节点；3号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	入口文件直接返回	20	6505	2.72	1	1	2	68	1774	100
1C2G；原节点；3号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	入口文件解析完请求	20	5956	2.72	1	1	1	69	1832	100
1C2G；原节点；3号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	引入自动加载之后	20	4341	3.61	1	1	2	77	2108	100
1C2G；原节点；3号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	加载项目配置之后	20	2278	8.16	1	2	86	89	1101	100
1C2G；原节点；3号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	加载底层配置之后	20	849	23.04	2	94	94	95	1867	100
1C2G；原节点；3号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	注册全部请求接口之后	20	630	30.97	2	95	96	97	1899	100
1C2G；原节点；3号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	健康检查完整处理	20	516	37.62	3	96	97	98	1878	77

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	QPS	AVG	50TH	90TH	95TH	99TH	MAX	CPU（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	1	480	1.6	2	2	2	2	220	77
1C2G；原节点；4号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查+缓存配置	1	705	1.05	1	1	2	2	1775	79
1C2G；原节点；4号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查+不缓存配置	2	619	2.55	2	2	2	35	2526	100
1C2G；原节点；4号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查+缓存配置	2	1083	1.54	1	1	2	26	2275	100
1C2G；原节点；4号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查+不缓存配置	5	659	6.8	2	2	72	77	2409	100
1C2G；原节点；4号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查+缓存配置	5	1060	4.36	1	2	2	72	2335	100
1C2G；原节点；4号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查+不缓存配置	20	530	37.09	3	96	97	98	2398	100
1C2G；原节点；4号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查+缓存配置	20	970	20.18	2	93	94	95	2601	100
1C2G；原节点；4号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查+不缓存配置	50	469	105.58	100	196	198	231.99	2799	100
1C2G；原节点；4号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查+缓存配置	50	946	52.22	90	98	99	103	2901	100
1C2G；原节点；4号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查+不缓存配置	100	415	239.43	202	394	400	598	3000	100
1C2G；原节点；4号副本	PHP-FPM7.4+OPcache	新框架+健康检查+缓存配置	100	920	107.89	100	195	199	289	2609	100

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：32768~60999
time 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。