数据库必知必会系列：数据库性能监控与调优工具

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

数据库性能监控与调优工具是现代数据库管理员最重要的技能之一。不仅能够帮助管理员发现系统资源瓶颈、分析慢查询、优化SQL语句等，还能够有效地提升服务器的整体运行效率，改善数据库的用户体验。本文将以《数据库性能监控与调优工具》作为开头，结合实例与图表，阐述对数据库性能监控与调优工具的理解、分类及设计原则，并提供参考性的代码实现，希望能够帮助读者了解相关知识并加深对数据库性能管理的理解。

2.性能监控工具概览

性能监控工具的作用主要有以下几点：

1. 了解系统资源利用情况；
2. 定位慢查询，提升数据库响应速度；
3. 提高数据库整体运行效率，减少磁盘I/O负担；
4. 更好地解决性能问题，保障业务持续顺畅。

目前主流的性能监控工具有很多种，包括基于日志的监控工具、基于事件的监控工具、基于指标的监控工具、基于机器学习的监控工具、基于网络拨测的监控工具等。常用的性能监控工具包括MySQL的mytop、Oracle的dstat、DB2的dbmon、MongoDB的mtools等。每款工具都有自己独特的功能，但在收集和展示数据方面大同小异。下面将围绕监控核心主题，讨论性能监控工具的分类和设计原则。

2.1性能监控工具分类

性能监控工具可以分成基于日志的工具、基于性能指标的工具、基于事件的工具和基于功能的工具四种类型。

1. 基于日志的工具：

基于日志的工具通过解析日志文件、监听服务端进程状态信息、采集系统监控指标、自动生成报告、提供可视化界面等方式进行性能监控。常用的基于日志的工具如mytop、dstat、dbtop、mysqldumpslow、mloginfo、mysql-workbench等。

优点：可获取到非常丰富的性能监控数据，比如各个时段CPU、内存、磁盘I/O、网络带宽等使用量、慢查询、线程数量、锁等待、innodb buffer pool使用量、连接池状态等，可用于实时的快速定位系统故障、规划资源分配策略和进行容量规划。

缺点：需要对日志文件进行解析，因此只能监控那些日志级别较低的系统信息，无法监控一些比较复杂的系统内部运行状况。另外，由于工具只能从日志中获取数据，因此在日志记录过多或日志生成频繁时，可能会造成数据量庞大、处理速度变慢。

2. 基于性能指标的工具：

基于性能指标的工具通过定时采集系统性能指标，如CPU、内存、磁盘I/O、网络带宽等，并计算统计值进行预警判断。常用的基于性能指标的工具如zabbix、open-falcon、diamond、ganglia、collectl、sysdig等。

优点：不需要解析日志文件，能够及时发现系统性能问题，并根据系统指标生成报告，提供统一的视图展示。

缺点：只能看到当前系统状态，不能分析历史趋势、定位问题根源；没有可视化界面的工具支持，只能查看命令行输出结果。

3. 基于事件的工具：

基于事件的工具通过监听系统内置的事件通知机制，如系统调用、硬件故障、进程退出等，对异常行为做出响应，包括触发报警、记录日志、执行回收措施、容灾切换等。常用的基于事件的工具如innotop、atop、sadf、nemesis、monit等。

优点：能够更全面地观察系统动态，能够精确定位、分析问题产生原因；提供了可视化界面支持，直观易懂，方便管理人员进行故障排查和容灾切换。

缺点：对系统配置要求较高，对于某些复杂场景可能无法正常工作；依赖于系统自身的事件通知机制，需要系统内核版本支持。

4. 基于功能的工具：

基于功能的工具通过集成了性能监控的各项功能，如图形化展示、自定义监控项、报警策略、自动诊断、故障定位等。常用的基于功能的工具如Percona Server Monitor（PSM）、Dell OpenManage Enterprise（OME）、Tivoli Storage Manager（TSM）等。

优点：无需安装任何第三方工具，直接使用浏览器即可访问，简单易用；能够快速地部署和使用，免去繁琐的安装配置过程；具有强大的分析能力，可用于监控、优化整个数据库系统。

缺点：需要单独购买服务器，服务器硬件要求高，无法满足轻量级应用需求。

2.2性能监控工具设计原则

选择合适的性能监控工具既要关注功能特性，又要考虑运维管理成本、数据分析难度、性能损耗等因素。下面介绍性能监控工具设计时的一些原则：

1. 数据采集速率：

数据的采集速率决定了性能监控工具的实时性。一般来说，速度越快的数据源就越有利于准确的性能监控，但也越容易导致数据量过大、处理器资源消耗过多，甚至造成系统崩溃或性能下降。因此，合理设置采集速率既要兼顾实时性，又要合理控制数据量。

2. 数据存储方式：

数据的存储方式决定了性能监控工具的历史数据保存时间。日志文件通常保存一天或一周，而其他形式的性能数据可以存档长久。因此，不同数据类型应该选择不同的存储方式，保证数据的完整性和可用性。同时，不同类型的性能数据也应采用不同的采集方式和算法，防止发生数据爆炸和混乱。

3. 报警策略：

报警策略的制定可以有效避免数据被误判为异常，提高系统的抗攻击能力。报警条件和阈值应考虑具体情况，包括系统指标、SQL性能、存储空间、内存使用量等。报警方式也应选择合适的形式，例如短信、电话、邮件等。

4. 定时任务：

定时任务的设置可以保证性能监控的实时性。定期检查系统资源、执行数据清洗、分析系统日志、扫描系统配置、更新报表等，都是合理的方式。定期运行性能监控工具也可以消除因突然异常数据而导致的误报，提高系统的稳定性和可靠性。

5. 可视化界面：

可视化界面可以帮助管理员更直观地理解系统的性能状况，促进管理工作的协作和协调。目前开源界有很多优秀的可视化工具，如grafana、kibana、ngraph等。这些工具的功能都有限，但是可以通过插件扩展或开发新的插件来满足公司的特定需求。

2.3数据库性能监控工具介绍

数据库性能监控工具是对数据库运行状态和数据库操作行为进行分析、统计、监控的一组工具。其目标是最大程度地获取并分析数据库运行过程中产生的各种性能数据，为数据库管理员在日常工作中提供实时反馈和决策支持。这里，我将着重介绍数据库性能监控工具的一些核心功能。

（一）工具安装与配置

数据库性能监控工具安装与配置是数据库管理员的第一步，也是最重要的环节之一。不同数据库厂商的性能监控工具安装方法和配置参数略有差别，这里以MySQL的监控工具mytop为例，介绍如何安装和配置mytop。

1. 安装mytop

mytop官方网站：https://www.mysqlops.com/mytop

下载最新版mytop安装包，解压后上传至Linux服务器的指定目录，执行如下命令进行安装：

sudo chmod +x mytop_1.9_linux_amd64 
sudo./mytop_1.9_linux_amd64 --install=/usr/bin

注意：mytop需要系统的mysqld服务启动，所以建议先启动mysqld服务。

2. 配置mytop

mytop的配置文件为mytoprc文件，默认路径为：/etc/mytoprc。编辑此文件，添加如下内容：

[server]
host=localhost
port=3306
username=root
password=<PASSWORD>

[refresh]
interval=2

其中，[server]区域用于配置数据库连接信息，包括数据库地址、端口号、用户名和密码。[refresh]区域用于配置刷新间隔，即每隔多少秒钟刷新一次监控页面。

配置完成后，启动mytop服务：

sudo /usr/bin/mytop -u root -p xxxxxxxx

注意：mytop默认运行端口为8080，如果占用8080端口，可以修改为其它端口。

（二）主要功能

mytop是一款功能全面的数据库性能监控工具，它具有如下几个主要功能模块：

（1）运行状态监控

该模块显示当前数据库的连接数、事务处理个数、查询次数、每秒IO请求数、每秒新连接数、每秒查询数、每秒更新数等性能数据。

（2）慢查询监控

该模块显示当前数据库中耗时超过指定阈值的慢查询列表，并按照平均时间排序，可供管理员分析具体慢查询。

（3）进程状态监控

该模块显示当前数据库中的线程信息、全局锁信息、死锁信息、复制信息等。

（4）实例状态监控

该模块显示数据库实例的信息，包括实例名称、主机名、IP地址、端口号、启动时间等。

（5）InnoDB监控

该模块显示InnoDB缓冲区信息，包括总大小、脏页比例、活跃事务数、缓存命中率等。

（6）服务器信息监控

该模块显示服务器信息，包括CPU使用率、内存使用率、磁盘使用率、网络IO等。

3.数据库性能监控工具案例解析

（一）基础监控

本节我们介绍基础性能监控，包括“运行状态”、“慢查询”、“进程状态”、“InnoDB”、“服务器信息”。

（1）运行状态

点击“运行状态”，可查看数据库连接数、事务处理个数、查询次数、每秒IO请求数、每秒新连接数、每秒查询数、每秒更新数等性能数据。

服务器状态：

• CPU使用率：显示服务器当前的CPU利用率。当CPU达到90%以上时，可能会影响数据库的性能，建议进行资源限制或优化查询 SQL 。

• 内存使用率：显示服务器当前的内存利用率。当内存利用率达到80%~90%时，可能会影响数据库的性能，建议进行资源限制或优化查询 SQL 或增加内存。

• InnoDB Buffer Pool 使用情况：显示当前 InnoDB Buffer Pool 的缓存情况。建议监控 InnoDB Buffer Pool 的缓存命中率，缓冲池空闲页率、使用页数，以便及时发现内存不足和页分裂。

• 日志空间使用情况：显示服务器的日志空间已使用的情况，当日志空间占满时，可能会影响数据库的写入速度。建议及时清理旧的日志文件或扩充日志空间大小。

（2）慢查询

点击“慢查询”，可查看当前数据库中耗时超过指定阈值的慢查询列表，并按照平均时间排序，可供管理员分析具体慢查询。

慢查询分析：

当慢查询的平均时间超过某个阈值时，就需要根据具体情况，优化查询 SQL 或优化数据库配置参数，提高数据库的响应速度。

• 慢查询的平均时间：最长的查询 SQL 在 1ms 以内，而一般平均响应时间为 2ms ~ 10ms ，超过 50ms 的查询 SQL 需要分析，优先优化 SQL 。

• 查询次数：一个 SQL 的响应时间超过阈值，说明这个 SQL 很慢，查询次数较多，因此需要进一步定位 SQL 执行计划是否存在问题，或者考虑其他优化手段。

• 用户 SQL：慢查询分析中，一般只需要查看一些慢查询的具体 SQL 和平均时间即可，无需一览无遗。

（3）进程状态

点击“进程状态”，可查看当前数据库中的线程信息、全局锁信息、死锁信息、复制信息等。

进程状态分析：

当线程、全局锁、死锁、复制出现问题时，需要进一步分析原因。

• Thread：当线程数过多时，需要进一步确认是客户端连接数过多还是服务端线程数过多。如果是客户端连接数过多，则需要优化查询 SQL 或增大连接数，减少线程占用；如果是服务端线程数过多，则需要优化查询 SQL 或减少服务端线程数。

• Global Lock：当存在全局锁时，说明数据库上正在执行 DML 操作，如插入、删除、更新等，同时又有多个事务同时执行相同的操作，就会出现死锁。此时，需要查看运行中的事务，找到执行时间最长的事务，分析是否存在互锁，调整查询 SQL 或优化数据库配置参数。

• Deadlock：当出现死锁时，说明事务之间存在循环等待，不能完成数据库操作。此时，需要分析死锁日志，查找死锁的原因。

• Replication：当存在复制问题时，说明复制有延迟、错位等问题。这种情况一般不会影响业务正常运行，需要定期查看日志，及时解决问题。

（4）InnoDB

点击“InnoDB”，可查看当前数据库的 InnoDB 缓存信息，包括总大小、脏页比例、活跃事务数、缓存命中率等。

InnoDB 缓存分析：

当 InnoDB Buffer Pool 的缓存命中率不足时，说明缓冲池的大小设置太小或者热点数据缓存失效。此时，需要调整缓冲池的大小或热点数据缓存过期时间，以提高缓存命中率。

（5）服务器信息

点击“服务器信息”，可查看服务器信息，包括CPU使用率、内存使用率、磁盘使用率、网络IO等。

服务器信息分析：

当 CPU、内存、磁盘、网络出现问题时，需要进一步分析原因。

• CPU：当 CPU 超过 90% 时，说明系统资源已经吃紧，需要进行资源限制或优化查询 SQL 。

• Memory：当内存使用率达到 80% ~ 90% 时，说明系统内存已经吃紧，需要进行内存限制或优化查询 SQL 或增加内存。

• IO：当磁盘 I/O、网络接收和发送字节数，每秒处理的请求数出现变化，说明系统负载已经高，需要进行资源限制或优化查询 SQL 或分析业务逻辑。

（二）详细监控

本节我们介绍详细性能监控，包括“查询详情”、“线程状态”、“健康度”、“锁等待”、“BINLOG”、“追踪进程”。

（1）查询详情

点击“查询详情”，可查看当前数据库中执行时间超过指定阈值的 SQL 的详细信息。

SQL 分析：

当 SQL 执行时间超过某个阈值时，就需要根据具体情况，优化 SQL 或分析业务逻辑，找出瓶颈。

• 查询计划分析：最耗时、慢estime Query Plan 的 SQL 可以根据实际情况，进行优化，譬如增加索引、查询优化、修改表结构等。

• 统计信息：慢estime Query Plan 中所涉及的 Table Scan 和 Index Scan 率，表中统计信息，索引失效率等，可用来分析查询计划的优化效果。

• 锁等待分析：当出现锁等待时，需要根据具体锁信息，优化查询 SQL 或优化数据库配置参数，提高数据库的响应速度。

（2）线程状态

点击“线程状态”，可查看当前数据库中的线程信息，包括线程号、身份、状态、阻塞类型、队列长度、最后活动时间、SQL 文本等。

线程状态分析：

当线程出现问题时，需要分析线程信息，查看哪些线程处于忙碌状态，哪些线程长时间处于 sleep 状态，以找到系统中的性能瓶颈。

• 线程处理超时：当某个线程处理时间过长，但是状态却一直保持在 running 或 io wait 时，说明可能存在问题，需要进一步分析 SQL 或系统配置参数。

• 大量线程等待：当存在大量线程等待时，说明系统资源已经饱和，需要进一步分析系统配置或服务端线程数，适当增加资源或优化 SQL。

（3）健康度

点击“健康度”，可查看数据库健康度。

数据库健康度分析：

当数据库运行不正常时，需要分析数据库的健康度，并根据实际情况，判断数据库的可用性。

• 查看关键指标：如 CPU 使用率、内存使用率、连接数、查询数、事务处理数等关键指标，这些指标越低，则表示数据库运行正常。当某些关键指标出现波动或突增时，则说明数据库出现性能问题。

• 审计日志：数据库运行过程中，审计日志中可以查看慢查询、错误日志、安全日志等，发现异常时可以进行分析，定位根源。

• 检查关键配置：数据库的关键配置，如数据库连接数、缓冲池大小、最大连接时间、线程数、锁等待时间等，需要查看是否存在异常。

（4）锁等待

点击“锁等待”，可查看当前数据库中所有锁等待信息，包括锁类型、等待锁的线程等。

锁等待分析：

当存在锁等待时，需要分析锁等待信息，查看锁等待的原因，分析是否存在互锁，调整查询 SQL 或优化数据库配置参数，提高数据库的响应速度。

• 互斥锁与死锁：当出现互斥锁时，说明数据库上正在执行 DDL 操作，如创建、删除、修改表等，同时又有多个事务同时执行相同的操作，就会出现死锁。此时，需要分析运行中的事务，找到执行时间最长的事务，分析是否存在互锁，调整查询 SQL 或优化数据库配置参数。

（5）BINLOG

点击“BINLOG”，可查看当前数据库的 binlog 信息。

BINLOG 分析：

当数据库的 binlog 不正常时，需要分析 binlog 文件的大小、写入速度，以找出原因。

• binlog 文件大小：当 binlog 文件大小超过某个阈值时，说明 binlog 写入压力过大，需要进行 binlog 切割或增大 binlog 文件大小。

• binlog 写入速度：当 binlog 写入速度下降时，可能说明硬件故障，需要进行硬件故障排查或流量管制。

（6）追踪进程

点击“追踪进程”，可查看当前数据库中所有进程信息，包括进程 ID、用户名、主机名、操作系统、线程数、内存占用等。

进程状态分析：

当进程出现问题时，需要分析进程信息，查看哪些进程耗费大量资源，导致系统负载过高，以找到系统中的性能瓶颈。

• CPU 占用率：当某个进程的 CPU 占用率过高时，说明该进程正在消耗系统资源，需要进一步分析 SQL 或系统配置参数。

• MEMORY 占用率：当某个进程的 MEMORY 占用率过高时，说明该进程正在消耗内存，需要进一步分析 SQL 或系统配置参数。

• 操作系统：当进程的操作系统标识出现错误时，说明该进程不是在 Linux 上运行，需要调整系统配置。

（三）操作建议

本节我们总结操作建议，包括“SQL 优化”、“资源优化”、“系统配置优化”。

（1）SQL 优化

当 SQL 语句出现超时、死锁、复制延迟等问题时，需要对 SQL 语句进行优化。

• 查询优化：针对 SELECT、INSERT、UPDATE 等语句，可以分析 SQL 语句的执行计划，或使用 EXPLAIN 来查看 SQL 执行的具体信息，然后再进行 SQL 语句的优化。

• 分库分表：当单表数据量过大，导致查询效率下降时，可以考虑分库分表。

• 查询分类：当有大量的慢 SQL 语句时，可以对慢 SQL 根据 SQL 文本、执行的计划描述、连接的索引等信息，分类整理，然后分析和优化，缩短 SQL 执行时间。

• SQL 参数化：当有大量的类似 SQL 语句时，可以使用参数化查询，减少 SQL 编译和优化的时间。

（2）资源优化

当数据库资源出现问题，如 CPU、内存、IO、网络等，需要进一步分析原因。

• 服务器负载：当服务器负载出现变化时，需要分析系统负载，判断是否有资源过度使用或资源过剩的问题。

• 资源限制：当服务器资源出现瓶颈时，需要限制资源，进行资源隔离，或者升级配置。

• 服务器硬件：当服务器出现硬件故障时，需要对服务器进行维护、修复、替换。

• 配置优化：当服务器配置出现瓶颈时，需要调整 MySQL 配置参数，进行配置优化，提高数据库的运行速度。

（3）系统配置优化

当系统配置出现问题，如连接数、缓冲池大小、最大连接时间、线程数、锁等待时间等，需要进行系统配置优化。

• 服务器配置：当服务器配置出现瓶颈时，可以适当调整 MySQL 配置参数，进行配置优化，提高数据库的运行速度。

• 设置超时：当出现超时、死锁等问题时，需要设置超时参数，将数据库阻塞时间限制在一个可接受范围内。

• 流量管制：当网络出现问题时，需要对网络流量进行管制，以防止数据库出现流量过大、丢包等问题。