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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

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

• 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

• 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

• 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

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

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：

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。