性能测试

以下是基于 Node.js 的性能测试完整示例，演示如何对一个 REST API 进行压力测试，分析响应时间、吞吐量和资源消耗，并定位性能瓶颈。

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1. 场景描述

假设有一个用户查询接口 GET /api/users/:id，需要测试其在以下场景下的表现：

• 高并发请求：模拟 1000 个用户每秒（RPS）的访问量。
• 长时稳定性：持续运行 5 分钟，观察内存泄漏和错误率。
• 依赖分析：接口依赖 MongoDB 数据库和 Redis 缓存。

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2. 工具选择

工具	作用
k6	开源性能测试工具，支持脚本化和云原生场景，适合高并发压测。
autocannon	轻量级 HTTP 压测工具，适合快速本地测试。
PM2	进程管理工具，监控 Node.js 应用的 CPU/内存使用。
MongoDB Atlas	托管数据库服务，提供性能监控指标（如查询延迟、连接数）。
Docker	隔离测试环境，确保压测不影响本地开发环境。

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3. 性能测试实现步骤

步骤 1：准备待测试的 API

// src/app.js
const express = require("express");
const { getDb } = require("./db");
const app = express();

// 用户查询接口
app.get("/api/users/:id", async (req, res) => {
  try {
    const user = await getDb().collection("users").findOne({ _id: req.params.id });
    res.json(user || { error: "User not found" });
  } catch (error) {
    res.status(500).json({ error: "Database error" });
  }
});

const server = app.listen(3000, () => console.log("Server running on port 3000"));
module.exports = server;

步骤 2：编写 k6 性能测试脚本

// tests/performance/user-load-test.js
import http from 'k6/http';
import { check, sleep } from 'k6';

export const options = {
  stages: [
    { duration: '30s', target: 500 },  // 30秒内逐步增加到500并发用户
    { duration: '2m', target: 1000 },  // 维持1000并发用户2分钟
    { duration: '30s', target: 0 },     // 逐步停止
  ],
  thresholds: {
    http_req_duration: ['p(95)<500'],  // 95%的请求响应时间需小于500ms
    http_req_failed: ['rate<0.01'],     // 错误率低于1%
  },
};

export default function () {
  const userId = '507f191e810c19729de860ea'; // 测试用户ID
  const res = http.get(`http://localhost:3000/api/users/${userId}`);
  
  check(res, {
    'Status is 200': (r) => r.status === 200,
    'Has valid user data': (r) => JSON.parse(r.body).name !== undefined,
  });
  
  sleep(1); // 每个用户每秒执行1次请求（RPS = VU * 1）
}

步骤 3：运行测试并监控资源

# 启动服务（通过 PM2 监控资源）
pm2 start src/app.js --name "user-api"

# 运行 k6 压测（1000 并发用户）
k6 run tests/performance/user-load-test.js

# 实时监控资源
pm2 monit

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4. 性能测试结果分析

(1) k6 输出报告

✓ Status is 200
✓ Has valid user data

checks.....................: 99.8% ✓ 89910       ✗ 180
http_req_duration.........: avg=220ms  min=50ms   med=180ms max=1.2s  p(95)=450ms
http_reqs..................: 90090     (≈ 1001.0 RPS)
iteration_duration.........: avg=1.22s min=1.01s  med=1.18s max=2.5s

• 关键指标：
  • 吞吐量（RPS）：1001 请求/秒。
  • 95% 响应时间：450ms。
  • 错误率：0.2%（180次失败）。

(2) PM2 资源监控

CPU Usage: 85% (~90% during peak)
Memory Usage: 512MB (稳定，无泄漏)

(3) MongoDB Atlas 监控

• 查询延迟：平均 150ms，峰值 300ms。
• 连接数：峰值 200 个连接。

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5. 性能瓶颈定位与优化

瓶颈 1：数据库查询延迟过高

• 根因：未对 _id 字段建立索引。
• 优化：

  // 在 MongoDB 中创建索引
  db.users.createIndex({ _id: 1 });

瓶颈 2：Node.js CPU 接近满载

• 根因：同步阻塞操作（如未缓存的 JWT 验证）。
• 优化：

  // 使用缓存（Redis）存储常用数据
  app.get("/api/users/:id", async (req, res) => {
    const cachedUser = await redis.get(`user:${req.params.id}`);
    if (cachedUser) return res.json(JSON.parse(cachedUser));
    
    // 数据库查询并缓存结果
    const user = await db.collection("users").findOne({ _id: req.params.id });
    await redis.set(`user:${req.params.id}`, JSON.stringify(user), 'EX', 60);
    res.json(user);
  });

瓶颈 3：HTTP 连接池不足

• 根因：Node.js 默认的 http.globalAgent 限制连接数。
• 优化：

  // 调整全局 Agent 参数
  const http = require('http');
  http.globalAgent.maxSockets = 1000; // 提高并发连接数

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6. 优化后复测结果

http_req_duration.........: avg=80ms   min=30ms   med=70ms  max=300ms p(95)=120ms
http_reqs..................: 90090     (≈ 2500 RPS)
CPU Usage.................: 45% (下降约50%)

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7. 工具链扩展

场景	工具	用途
分布式压测	k6 Cloud	模拟全球用户分布，生成可视化报告。
内存泄漏检测	Node.js Inspector + Chrome DevTools	分析堆内存快照。
日志分析	ELK Stack	聚合压测期间的错误日志，定位异常。
全链路监控	Prometheus + Grafana	监控微服务链路中各组件（API、DB、缓存）。

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总结

通过性能测试，可以：

1. 量化系统能力：确定服务的最大吞吐量和临界负载。
2. 暴露瓶颈：识别代码、数据库或基础设施的性能短板。
3. 验证优化效果：通过对比测试数据，确认优化措施的有效性。

最佳实践：

• 基准测试（Baseline）：在每次重大变更后运行性能测试，建立历史数据对比。
• 自动化流水线：将性能测试集成到 CI/CD，设置阈值拦截性能退化。
• 生产环境影子测试：通过流量复制（如 GoReplay），在生产环境安全压测。

以下是 k6 和 PM2 的安装方法，支持 macOS、Linux 和 Windows 系统：

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1. 安装 k6（性能测试工具）

k6 支持多种安装方式，根据操作系统选择以下任一方法：

macOS

# 使用 Homebrew 安装
brew install k6

Linux (Debian/Ubuntu)

# 添加 k6 官方仓库
sudo gpg -k
sudo gpg --no-default-keyring --keyring /usr/share/keyrings/k6-archive-keyring.gpg --keyserver hkp://keyserver.ubuntu.com:80 --recv-keys C5AD17C747E3415A3642D57D77C6C491D6AC1D69
echo "deb [signed-by=/usr/share/keyrings/k6-archive-keyring.gpg] https://dl.k6.io/deb stable main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/k6.list
sudo apt-get update
sudo apt-get install k6

Windows

1. 访问 k6 官网下载页面。
2. 下载 .msi 安装包并双击运行。
3. 安装完成后，打开 PowerShell 验证：

   k6 version

或者 choco install k6

验证安装

k6 version
# 输出示例：k6 v0.45.0 (2023-XX-XX)

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2. 安装 PM2（Node.js 进程管理工具）

PM2 是一个 Node.js 进程管理器，需通过 npm 全局安装：

所有操作系统

# 安装 PM2
npm install pm2@latest -g

# 验证安装
pm2 --version
# 输出示例：5.3.0

权限问题处理（Linux/macOS）

如果安装时提示权限不足，可使用 sudo 或修复 npm 目录权限：

# 使用 sudo（不推荐长期使用）
sudo npm install pm2@latest -g

# 或修复 npm 目录权限
mkdir ~/.npm-global
npm config set prefix '~/.npm-global'
echo 'export PATH=~/.npm-global/bin:$PATH' >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc
npm install pm2@latest -g

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3. 常见问题

k6 安装失败

• 网络问题：尝试使用镜像源（如国内用户）：

  # 临时替换 Homebrew 镜像源（macOS/Linux）
  export HOMEBREW_BOTTLE_DOMAIN=https://mirrors.ustc.edu.cn/homebrew-bottles
  brew install k6

• 手动下载：从 k6 Releases 下载二进制文件，解压后添加到 PATH。

PM2 命令未找到

• 环境变量问题：确保 npm 全局目录（如 ~/.npm-global/bin）已添加到 PATH。

  echo 'export PATH=$PATH:~/.npm-global/bin' >> ~/.bashrc
  source ~/.bashrc

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4. 使用示例

启动 Node.js 服务并监控

pm2 start app.js --name "my-api" --watch
pm2 monit  # 实时监控 CPU/内存

运行 k6 性能测试

k6 run test-script.js

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通过以上步骤，可快速安装并验证 k6 和 PM2 的可用性。