performance-tuning

パフォーマンスチューニング

カーネルパラメーターの調整、I/O スケジューラーの選択、メモリ管理、CPU ガバナーの設定、ベンチマークを通じて、Linux システムのパフォーマンスを最適化します。手法、実際の sysctl 設定、ツールを使った検証について説明します。

使用する場面

• サーバーで高レイテンシ、スループットのボトルネック、またはリソース枯渇が発生している場合
• 大量アクセスが発生するイベントや負荷テストに向けてインフラを準備する場合
• データベースサーバー、Web サーバー、またはアプリケーションホストを本番環境向けに調整する場合
• ボトルネックが CPU、メモリ、ディスク I/O、ネットワークのどれにあるかを診断する場合
• 変更の前後でパフォーマンスのベースライン指標を確立する場合
• コンテナー、VM、またはベアメタルホスト向けにカーネルパラメーターを設定する場合

前提条件

• 対象システムへの root または sudo アクセス
• sysstat パッケージがインストールされていること（sar、iostat、mpstat を提供）
• CPU プロファイリング用の linux-tools または perf パッケージ
• ベンチマークツール：fio（ディスク）、sysbench（CPU／メモリ）、iperf3（ネットワーク）
• 変更を加える前に収集したベースライン指標

パフォーマンス分析の手法

常に次の順序で進めてください。

1. ベースラインを収集する -- ツールで現在のパフォーマンスを測定します
2. ボトルネックを特定する -- CPU、メモリ、I/O、ネットワークのどれが原因かを判断します
3. パラメーターを1つ変更する -- チューニングの変更を1つ適用します
4. 影響を測定する -- 同じベンチマークを再実行します
5. 記録する -- 変更内容とその影響を記録します
6. 繰り返すか元に戻す -- 効果があれば変更を維持し、なければ元に戻します

システム監視ツール

# CPU and process monitoring
top                              # Interactive process viewer
htop                             # Enhanced interactive viewer
mpstat -P ALL 2                  # Per-CPU utilization every 2 seconds
pidstat -u 2                     # Per-process CPU usage

# Memory monitoring
free -h                          # Memory summary
vmstat 2                         # Virtual memory stats every 2 seconds
# Columns: r=runnable, b=blocked, si/so=swap in/out, bi/bo=block I/O

# Disk I/O monitoring
iostat -xz 2                     # Extended disk stats every 2 seconds
# Key columns: %util, await (latency), r/s, w/s
iotop -oP                        # Show processes doing I/O

# Network monitoring
sar -n DEV 2                     # Network interface stats
ss -s                            # Socket summary
nstat                            # Network counters

# CPU profiling (requires perf)
perf top                         # Real-time function-level CPU profiling
perf stat -a sleep 10            # System-wide counters for 10 seconds
perf record -g -a sleep 30       # Record 30 seconds of call stacks
perf report                      # Analyze recorded data

# One-liner: check all major resources
echo "=== CPU ===" && mpstat 1 1 && echo "=== MEM ===" && free -h && echo "=== DISK ===" && iostat -x 1 1 && echo "=== NET ===" && ss -s

Sysctl カーネルパラメーターの調整

ネットワークの調整

# /etc/sysctl.d/60-network-performance.conf

# Increase the maximum socket receive/send buffer sizes
net.core.rmem_max = 134217728
net.core.wmem_max = 134217728
net.core.rmem_default = 1048576
net.core.wmem_default = 1048576

# TCP buffer auto-tuning (min, default, max in bytes)
net.ipv4.tcp_rmem = 4096 1048576 134217728
net.ipv4.tcp_wmem = 4096 1048576 134217728

# Increase connection backlog for high-traffic servers
net.core.somaxconn = 65535
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 65535
net.core.netdev_max_backlog = 65535

# Enable TCP fast open (client and server)
net.ipv4.tcp_fastopen = 3

# Reuse TIME_WAIT sockets for new connections
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1

# Increase the range of ephemeral ports
net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65535

# TCP keepalive tuning (detect dead connections faster)
net.ipv4.tcp_keepalive_time = 120
net.ipv4.tcp_keepalive_intvl = 30
net.ipv4.tcp_keepalive_probes = 3

# Disable slow start after idle (keeps congestion window open)
net.ipv4.tcp_slow_start_after_idle = 0

# Enable BBR congestion control (requires kernel 4.9+)
net.core.default_qdisc = fq
net.ipv4.tcp_congestion_control = bbr

メモリの調整

# /etc/sysctl.d/60-memory-performance.conf

# Reduce swappiness (0-100, lower = less swap usage)
# 10 for general servers, 1 for database servers
vm.swappiness = 10

# Dirty page ratios (controls when dirty data is flushed to disk)
# Lower values = more frequent, smaller writes (better for SSDs)
vm.dirty_ratio = 20
vm.dirty_background_ratio = 5

# For large-memory systems writing to fast storage
# vm.dirty_ratio = 40
# vm.dirty_background_ratio = 10

# Increase inotify limits (for apps watching many files)
fs.inotify.max_user_watches = 524288
fs.inotify.max_user_instances = 1024

# Maximum number of open file descriptors system-wide
fs.file-max = 2097152

# Virtual memory overcommit
# 0 = heuristic (default), 1 = always overcommit, 2 = never overcommit
vm.overcommit_memory = 0

# For Redis or similar in-memory stores, use:
# vm.overcommit_memory = 1

# Disable Transparent Huge Pages if it causes latency spikes (common with databases)
# Done via boot parameter or runtime:
# echo madvise > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled

Sysctl の変更を適用する

# Apply all sysctl files
sysctl --system

# Apply a specific file
sysctl -p /etc/sysctl.d/60-network-performance.conf

# Set a parameter temporarily (lost on reboot)
sysctl -w vm.swappiness=10

# Verify a parameter
sysctl vm.swappiness
sysctl net.ipv4.tcp_congestion_control

I/O スケジューラーの設定

# Check the current scheduler for a device
cat /sys/block/sda/queue/scheduler
# Output example: [mq-deadline] none kyber bfq

# Set the scheduler temporarily
echo mq-deadline > /sys/block/sda/queue/scheduler   # Good for databases
echo none > /sys/block/nvme0n1/queue/scheduler       # Best for NVMe SSDs
echo bfq > /sys/block/sda/queue/scheduler            # Good for interactive desktop

# Scheduler recommendations:
# NVMe SSD:  none (noop)    -- minimal overhead, hardware handles scheduling
# SATA SSD:  mq-deadline    -- provides fairness with low latency
# HDD:       mq-deadline    -- prevents starvation, good for databases
# Desktop:   bfq            -- prioritizes interactive I/O

# Make persistent via udev rule
cat <<'EOF' > /etc/udev/rules.d/60-io-scheduler.rules
# Set mq-deadline for rotational (HDD) devices
ACTION=="add|change", KERNEL=="sd[a-z]", ATTR{queue/rotational}=="1", ATTR{queue/scheduler}="mq-deadline"
# Set none for non-rotational (SSD/NVMe) devices
ACTION=="add|change", KERNEL=="sd[a-z]", ATTR{queue/rotational}=="0", ATTR{queue/scheduler}="none"
ACTION=="add|change", KERNEL=="nvme[0-9]*", ATTR{queue/scheduler}="none"
EOF

udevadm control --reload-rules

# Tune read-ahead for sequential workloads (database sequential scans)
blockdev --setrahead 4096 /dev/sda    # 4096 sectors = 2 MB

# Enable TRIM for SSDs (weekly via systemd timer)
systemctl enable --now fstrim.timer
fstrim -av    # Manual run

CPU ガバナーの設定

# Check available governors
cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_available_governors
# Output: performance powersave schedutil

# Check current governor
cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor

# Set all CPUs to performance mode (maximum frequency)
for cpu in /sys/devices/system/cpu/cpu*/cpufreq/scaling_governor; do
  echo performance > "$cpu"
done

# Set using cpupower (if installed)
cpupower frequency-set -g performance

# Governor recommendations:
# Server (production):   performance    -- max frequency, lowest latency
# Server (general):      schedutil      -- kernel-driven dynamic scaling
# Laptop / idle server:  powersave      -- minimize power consumption

# Make persistent via systemd service
cat <<'EOF' > /etc/systemd/system/cpu-governor.service
[Unit]
Description=Set CPU governor to performance

[Service]
Type=oneshot
ExecStart=/usr/bin/cpupower frequency-set -g performance
RemainAfterExit=yes

[Install]
WantedBy=multi-user.target
EOF

systemctl enable --now cpu-governor

# Disable CPU boost (turbo) if consistent latency is needed
echo 1 > /sys/devices/system/cpu/intel_pstate/no_turbo

ベンチマークツール

fio -- ディスク I/O のベンチマーク

# Install fio
apt install -y fio    # Debian/Ubuntu
dnf install -y fio    # RHEL/CentOS

# Sequential read test (simulates backup reads)
fio --name=seq-read --ioengine=libaio --direct=1 --rw=read \
  --bs=1M --numjobs=4 --size=1G --runtime=60 --time_based --group_reporting

# Sequential write test
fio --name=seq-write --ioengine=libaio --direct=1 --rw=write \
  --bs=1M --numjobs=4 --size=1G --runtime=60 --time_based --group_reporting

# Random read (4K blocks -- simulates database IOPS)
fio --name=rand-read --ioengine=libaio --direct=1 --rw=randread \
  --bs=4k --numjobs=16 --iodepth=64 --size=1G --runtime=60 --time_based --group_reporting

# Random write (4K blocks)
fio --name=rand-write --ioengine=libaio --direct=1 --rw=randwrite \
  --bs=4k --numjobs=16 --iodepth=64 --size=1G --runtime=60 --time_based --group_reporting

# Mixed random read/write (70/30 -- typical database workload)
fio --name=mixed --ioengine=libaio --direct=1 --rw=randrw --rwmixread=70 \
  --bs=4k --numjobs=8 --iodepth=32 --size=1G --runtime=60 --time_based --group_reporting

sysbench -- CPU とメモリのベンチマーク

# Install: apt install -y sysbench (Debian) / dnf install -y sysbench (RHEL)

# CPU benchmark
sysbench cpu --threads=4 --time=30 run

# Memory benchmark
sysbench memory --threads=4 --time=30 --memory-block-size=1K --memory-total-size=100G run

iperf3 -- ネットワークのベンチマーク

# Install iperf3
apt install -y iperf3

# Start server on one host
iperf3 -s

# Run client test from another host
iperf3 -c <server-ip> -t 30 -P 4    # 30 seconds, 4 parallel streams

# Test with UDP (measure packet loss)
iperf3 -c <server-ip> -u -b 1G -t 30

# Reverse mode (server sends to client)
iperf3 -c <server-ip> -R -t 30

すぐに参照できるチューニングプロファイル

Web サーバー（nginx/Apache）

# /etc/sysctl.d/60-webserver.conf
net.core.somaxconn = 65535
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 65535
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
net.ipv4.tcp_fastopen = 3
net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65535
net.core.default_qdisc = fq
net.ipv4.tcp_congestion_control = bbr
fs.file-max = 2097152
vm.swappiness = 10

データベースサーバー（PostgreSQL/MySQL）

# /etc/sysctl.d/60-database.conf
vm.swappiness = 1
vm.dirty_ratio = 15
vm.dirty_background_ratio = 3
vm.overcommit_memory = 2
vm.overcommit_ratio = 80
net.core.somaxconn = 4096
fs.file-max = 2097152
# Disable THP for databases
# echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled

トラブルシューティング

症状	診断コマンド	よくある対処法
CPU 使用率が高いが、原因となるプロセスが見当たらない	perf top、mpstat -P ALL 2	softirq や割り込みなど、カーネルレベルの問題を確認します
load average が高く、CPU 使用率が低い	vmstat 2（b 列を確認）	I/O のボトルネックです。スケジューラーを調整し、ディスクの状態を確認します
システムでスワップが頻繁に発生する	free -h、vmstat 2（si/so を確認）	vm.swappiness を下げ、RAM を追加し、メモリリークを特定します
ディスクレイテンシが急増する	iostat -x 2（await を確認）	I/O スケジューラーを切り替え、dirty ratio を下げ、SSD を追加します
「Too many open files」エラー	cat /proc/sys/fs/file-nr	fs.file-max と LimitNOFILE を増やします
ネットワークスループットが低い	iperf3 -c <server>、ethtool	バッファーサイズを増やし、BBR を有効にして、MTU を確認します
負荷時にアプリケーションがタイムアウトする	ss -s、sysctl net.core.somaxconn	somaxconn と tcp_max_syn_backlog を増やします
レイテンシが安定しない	CPU ガバナーを確認します	ガバナーを performance に設定し、ターボブーストを無効にします

関連スキル

• linux-administration -- システムの一般的な監視と管理
• systemd-services -- ユニットファイル内の cgroups によるリソース制限
• block-storage -- ストレージレベルのパフォーマンス（LVM、RAID、ファイルシステム）
• nfs-storage -- NFS 固有のパフォーマンスチューニング