如何分析工具perf的介紹與使用

這期內(nèi)容當(dāng)中小編將會給大家?guī)碛嘘P(guān)如何分析工具perf的介紹與使用，文章內(nèi)容豐富且以專業(yè)的角度為大家分析和敘述，閱讀完這篇文章希望大家可以有所收獲。

測試環(huán)境：Ubuntu16.04 + Kernel：4.4.0-31

apt-get install linux-source

cd /usr/src/tools/perf

make && make install

RHEL安裝方式：

 yum -y install perf.x86_64

系統(tǒng)級性能優(yōu)化通常包括兩個階段：性能剖析（performance profiling）和代碼優(yōu)化。

性能剖析的目標(biāo)是尋找性能瓶頸，查找引發(fā)性能問題的原因及熱點(diǎn)代碼。

代碼優(yōu)化的目標(biāo)是針對具體性能問題而優(yōu)化代碼或編譯選項(xiàng)，以改善軟件性能。

在性能剖析階段，需要借助于現(xiàn)有的profiling工具，如perf等。在代碼優(yōu)化階段往往需要借助開發(fā)者的經(jīng)驗(yàn)，編寫簡潔高效的代碼，甚至在匯編級別合理使用各種指令，合理安排各種指令的執(zhí)行順序。

perf是一款Linux性能分析工具。Linux性能計(jì)數(shù)器是一個新的基于內(nèi)核的子系統(tǒng)，它提供一個性能分析框架，比如硬件（CPU、PMU(Performance Monitoring Unit)）功能和軟件(軟件計(jì)數(shù)器、tracepoint)功能。
通過perf，應(yīng)用程序可以利用PMU、tracepoint和內(nèi)核中的計(jì)數(shù)器來進(jìn)行性能統(tǒng)計(jì)。它不但可以分析制定應(yīng)用程序的性能問題（per thread），也可以用來分析內(nèi)核的性能問題，當(dāng)然也可以同事分析應(yīng)用程序和內(nèi)核，從而全面理解應(yīng)用程序中的性能瓶頸。

使用perf，可以分析程序運(yùn)行期間發(fā)生的硬件事件，比如instructions retired、processor clock cycles等；也可以分析軟件時間，比如page fault和進(jìn)程切換。

perf是一款綜合性分析工具，大到系統(tǒng)全局性性能，再小到進(jìn)程線程級別，甚至到函數(shù)及匯編級別。

perf提供了十八般武器，可以拿大刀大卸八塊，也可以拿起手術(shù)刀細(xì)致分析。

1. 背景知識

1.1 tracepoints

tracepoints是散落在內(nèi)核源碼中的一些hook，它們可以在特定的代碼被執(zhí)行到時觸發(fā)，這一特定可以被各種trace/debug工具所使用。

perf將tracepoint產(chǎn)生的時間記錄下來，生成報(bào)告，通過分析這些報(bào)告，條有人緣便可以了解程序運(yùn)行期間內(nèi)核的各種細(xì)節(jié)，對性能癥狀做出準(zhǔn)確的診斷。

這些tracepint的對應(yīng)的sysfs節(jié)點(diǎn)在/sys/kernel/debug/tracing/events目錄下。

1.2 硬件特性之cache

內(nèi)存讀寫是很快的，但是還是無法和處理器指令執(zhí)行速度相比。為了從內(nèi)存中讀取指令和數(shù)據(jù)，處理器需要等待，用處理器時間來衡量，這種等待非常漫長。cache是一種SRAM，讀寫速度非常快，能和處理器相匹配。因此將常用的數(shù)據(jù)保存在cache中，處理器便無需等待，從而提高性能。cache的尺寸一般都很小，充分利用cache是軟件調(diào)優(yōu)非常重要部分。

2. 主要關(guān)注點(diǎn)

基于性能分析，可以進(jìn)行算法優(yōu)化（空間復(fù)雜度和時間復(fù)雜度權(quán)衡）、代碼優(yōu)化（提高執(zhí)行速度、減少內(nèi)存占用）。

評估程序?qū)τ布Y源的使用情況，例如各級cache的訪問次數(shù)、各級cache的丟失次數(shù)、流水線停頓周期、前端總線訪問次數(shù)等。

評估程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)資源的使用情況，系統(tǒng)調(diào)用次數(shù)、上下文切換次數(shù)、任務(wù)遷移次數(shù)。

事件可以分為三種：

1. Hardware Event由PMU部件產(chǎn)生，在特定的條件下探測性能事件是否發(fā)生以及發(fā)生的次數(shù)。比如cache命中。

2. Software Event是內(nèi)核產(chǎn)生的事件，分布在各個功能模塊中，統(tǒng)計(jì)和操作系統(tǒng)相關(guān)性能事件。比如進(jìn)程切換，tick數(shù)等。

3. Tracepoint Event是內(nèi)核中靜態(tài)tracepoint所觸發(fā)的事件，這些tracepoint用來判斷程序運(yùn)行期間內(nèi)核的行為細(xì)節(jié)，比如slab分配器的分配次數(shù)等。

3. perf的使用

perf --help之后可以看到perf的二級命令。

全局性概況：

perf list查看當(dāng)前系統(tǒng)支持的性能事件；

perf bench對系統(tǒng)性能進(jìn)行摸底；

perf test對系統(tǒng)進(jìn)行健全性測試；

perf stat對全局性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；

全局細(xì)節(jié)：

perf top可以實(shí)時查看當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)程函數(shù)占用率情況；

perf probe可以自定義動態(tài)事件；

特定功能分析：

perf kmem針對slab子系統(tǒng)性能分析；

perf kvm針對kvm虛擬化分析；

perf lock分析鎖性能；

perf mem分析內(nèi)存slab性能；

perf sched分析內(nèi)核調(diào)度器性能；

perf trace記錄系統(tǒng)調(diào)用軌跡；

最常用功能perf record，可以系統(tǒng)全局，也可以具體到某個進(jìn)程，更甚具體到某一進(jìn)程某一事件；可宏觀，也可以很微觀。

pref record記錄信息到perf.data；

perf report生成報(bào)告；

perf diff對兩個記錄進(jìn)行diff；

perf evlist列出記錄的性能事件；

perf annotate顯示perf.data函數(shù)代碼；

perf archive將相關(guān)符號打包，方便在其它機(jī)器進(jìn)行分析；

perf script將perf.data輸出可讀性文本；

可視化工具perf timechart

perf timechart record記錄事件；

perf timechart生成output.svg文檔；

3.0 perf引入的overhead

perf測試不可避免的會引入額外負(fù)荷，有三種形式：

counting：內(nèi)核提供計(jì)數(shù)總結(jié)，多是Hardware Event、Software Events、PMU計(jì)數(shù)等。相關(guān)命令perf stat。

sampling：perf將事件數(shù)據(jù)緩存到一塊buffer中，然后異步寫入到perf.data文件中。使用perf report等工具進(jìn)行離線分析。

bpf：Kernel 4.4+新增功能，可以提供更多有效filter和輸出總結(jié)。

counting引入的額外負(fù)荷最?。籹ampling在某些情況下會引入非常大的負(fù)荷；bpf可以有效縮減負(fù)荷。

針對sampling，可以通過掛在建立在RAM上的文件系統(tǒng)來有效降低讀寫I/O引入的負(fù)荷。

mkdir /tmpfs

mount -t tmpfs tmpfs /tmpfs

3.1 perf list

perf list不能完全顯示所有支持的事件類型，需要sudo perf list。

同時還可以顯示特定模塊支持的perf事件：hw/cache/pmu都是硬件相關(guān)的；tracepoint基于內(nèi)核的ftrace；sw實(shí)際上是內(nèi)核計(jì)數(shù)器。

hw/hardware顯示支持的硬件事件相關(guān)，如：

al@al-System-Product-Name:~/perf$ sudo perf list hardware

List of pre-defined events (to be used in -e):

  branch-instructions OR branches                    [Hardware event]
   branch-misses                                      [Hardware event]
   cache-misses                                       [Hardware event]
   cache-references                                   [Hardware event]
   cpu-cycles OR cycles                               [Hardware event]
   instructions                                       [Hardware event]
   stalled-cycles-backend OR idle-cycles-backend      [Hardware event]
   stalled-cycles-frontend OR idle-cycles-frontend    [Hardware event]

sw/software顯示支持的軟件事件列表：

al@al-System-Product-Name:~/perf$ sudo perf list sw

List of pre-defined events (to be used in -e):

  alignment-faults                                   [Software event]
   bpf-output                                         [Software event]
   context-switches OR cs                             [Software event]
   cpu-clock                                          [Software event]
   cpu-migrations OR migrations                       [Software event]
   dummy                                              [Software event]
   emulation-faults                                   [Software event]
   major-faults                                       [Software event]
   minor-faults                                       [Software event]
   page-faults OR faults                              [Software event]
   task-clock                                         [Software event]

cache/hwcache顯示硬件cache相關(guān)事件列表：

al@al-System-Product-Name:~/perf$ sudo perf list cache

List of pre-defined events (to be used in -e):

  L1-dcache-load-misses                              [Hardware cache event]
   L1-dcache-loads                                    [Hardware cache event]
   L1-dcache-prefetch-misses                          [Hardware cache event]
   L1-dcache-prefetches                               [Hardware cache event]
   L1-icache-load-misses                              [Hardware cache event]
   L1-icache-loads                                    [Hardware cache event]
   L1-icache-prefetches                               [Hardware cache event]
   LLC-load-misses                                    [Hardware cache event]
   LLC-loads                                          [Hardware cache event]
   LLC-stores                                         [Hardware cache event]
   branch-load-misses                                 [Hardware cache event]
   branch-loads                                       [Hardware cache event]
   dTLB-load-misses                                   [Hardware cache event]
   dTLB-loads                                         [Hardware cache event]
   iTLB-load-misses                                   [Hardware cache event]
   iTLB-loads                                         [Hardware cache event]
   node-load-misses                                   [Hardware cache event]
   node-loads                                         [Hardware cache event]

pmu顯示支持的PMU事件列表：

al@al-System-Product-Name:~/perf$ sudo perf list pmu

List of pre-defined events (to be used in -e):

  branch-instructions OR cpu/branch-instructions/    [Kernel PMU event]
   branch-misses OR cpu/branch-misses/                [Kernel PMU event]
   cache-misses OR cpu/cache-misses/                  [Kernel PMU event]
   cache-references OR cpu/cache-references/          [Kernel PMU event]
   cpu-cycles OR cpu/cpu-cycles/                      [Kernel PMU event]
   instructions OR cpu/instructions/                  [Kernel PMU event]
   msr/aperf/                                         [Kernel PMU event]
   msr/mperf/                                         [Kernel PMU event]
   msr/tsc/                                           [Kernel PMU event]
   stalled-cycles-backend OR cpu/stalled-cycles-backend/ [Kernel PMU event]
   stalled-cycles-frontend OR cpu/stalled-cycles-frontend/ [Kernel PMU event]

tracepoint顯示支持的所有tracepoint列表，這個列表就比較龐大：

al@al-System-Product-Name:~/perf$ sudo perf list tracepoint

List of pre-defined events (to be used in -e):

  alarmtimer:alarmtimer_cancel                       [Tracepoint event]
   alarmtimer:alarmtimer_fired                        [Tracepoint event]
   alarmtimer:alarmtimer_start                        [Tracepoint event]
   alarmtimer:alarmtimer_suspend                      [Tracepoint event]
   block:block_bio_backmerge                          [Tracepoint event]
   block:block_bio_bounce                             [Tracepoint event]
   block:block_bio_complete                           [Tracepoint event]
   block:block_bio_frontmerge                         [Tracepoint event]
   block:block_bio_queue                              [Tracepoint event]

…

3.2 perf top

默認(rèn)情況下perf top是無法顯示信息的，需要sudo perf top或者echo -1 > /proc/sys/kernel/perf_event_paranoid(在Ubuntu16.04，還需要echo 0 > /proc/sys/kernel/kptr_restrict)。

即可以正常顯示perf top如下：

第一列：符號引發(fā)的性能事件的比例，指占用的cpu周期比例。

第二列：符號所在的DSO(Dynamic Shared Object)，可以是應(yīng)用程序、內(nèi)核、動態(tài)鏈接庫、模塊。

第三列：DSO的類型。[.]表示此符號屬于用戶態(tài)的ELF文件，包括可執(zhí)行文件與動態(tài)鏈接庫；[k]表述此符號屬于內(nèi)核或模塊。

第四列：符號名。有些符號不能解析為函數(shù)名，只能用地址表示。

關(guān)于perf top界面常用命令如下：

h：顯示幫助，即可顯示詳細(xì)的幫助信息。

UP/DOWN/PGUP/PGDN/SPACE：上下和翻頁。

a：annotate current symbol，注解當(dāng)前符號。能夠給出匯編語言的注解，給出各條指令的采樣率。

d：過濾掉所有不屬于此DSO的符號。非常方便查看同一類別的符號。

P：將當(dāng)前信息保存到perf.hist.N中。

perf top常用選項(xiàng)有：

-e <event>：指明要分析的性能事件。

-p <pid>：Profile events on existing Process ID (comma sperated list). 僅分析目標(biāo)進(jìn)程及其創(chuàng)建的線程。

-k <path>：Path to vmlinux. Required for annotation functionality. 帶符號表的內(nèi)核映像所在的路徑。

-K：不顯示屬于內(nèi)核或模塊的符號。

-U：不顯示屬于用戶態(tài)程序的符號。

-d <n>：界面的刷新周期，默認(rèn)為2s，因?yàn)閜erf top默認(rèn)每2s從mmap的內(nèi)存區(qū)域讀取一次性能數(shù)據(jù)。

-g：得到函數(shù)的調(diào)用關(guān)系圖。

perf top --call-graph [fractal]，路徑概率為相對值，加起來為100%，調(diào)用順序?yàn)閺南峦稀?/p>

perf top --call-graph graph，路徑概率為絕對值，加起來為該函數(shù)的熱度。

3.3 perf stat

perf stat用于運(yùn)行指令，并分析其統(tǒng)計(jì)結(jié)果。雖然perf top也可以指定pid，但是必須先啟動應(yīng)用才能查看信息。

perf stat能完整統(tǒng)計(jì)應(yīng)用整個生命周期的信息。

命令格式為：

perf stat [-e <EVENT> | --event=EVENT] [-a] <command>
perf stat [-e <EVENT> | --event=EVENT] [-a] — <command> [<options>]

下面簡單看一下perf stat 的輸出：

al@al-System-Product-Name:~/perf$ sudo perf stat
^C
  Performance counter stats for 'system wide':

      40904.820871      cpu-clock (msec)          #    5.000 CPUs utilized          
             18,132      context-switches          #    0.443 K/sec                  
              1,053      cpu-migrations            #    0.026 K/sec                  
              2,420      page-faults               #    0.059 K/sec                  
      3,958,376,712      cycles                    #    0.097 GHz                      (49.99%)
        574,598,403      stalled-cycles-frontend   #   14.52% frontend cycles idle     (49.98%)
      9,392,982,910      stalled-cycles-backend    #  237.29% backend cycles idle      (50.00%)
      1,653,185,883      instructions              #    0.42  insn per cycle         
                                                   #    5.68  stalled cycles per insn  (50.01%)
        237,061,366      branches                  #    5.795 M/sec                    (50.02%)
         18,333,168      branch-misses             #    7.73% of all branches          (50.00%)

       8.181521203 seconds time elapsed

輸出解釋如下：

cpu-clock：任務(wù)真正占用的處理器時間，單位為ms。CPUs utilized = task-clock / time elapsed，CPU的占用率。

context-switches：程序在運(yùn)行過程中上下文的切換次數(shù)。

CPU-migrations：程序在運(yùn)行過程中發(fā)生的處理器遷移次數(shù)。Linux為了維持多個處理器的負(fù)載均衡，在特定條件下會將某個任務(wù)從一個CPU遷移到另一個CPU。

CPU遷移和上下文切換：發(fā)生上下文切換不一定會發(fā)生CPU遷移，而發(fā)生CPU遷移時肯定會發(fā)生上下文切換。發(fā)生上下文切換有可能只是把上下文從當(dāng)前CPU中換出，下一次調(diào)度器還是將進(jìn)程安排在這個CPU上執(zhí)行。

page-faults：缺頁異常的次數(shù)。當(dāng)應(yīng)用程序請求的頁面尚未建立、請求的頁面不在內(nèi)存中，或者請求的頁面雖然在內(nèi)存中，但物理地址和虛擬地址的映射關(guān)系尚未建立時，都會觸發(fā)一次缺頁異常。另外TLB不命中，頁面訪問權(quán)限不匹配等情況也會觸發(fā)缺頁異常。

cycles：消耗的處理器周期數(shù)。如果把被ls使用的cpu cycles看成是一個處理器的，那么它的主頻為2.486GHz?？梢杂胏ycles / task-clock算出。

stalled-cycles-frontend：指令讀取或解碼的質(zhì)量步驟，未能按理想狀態(tài)發(fā)揮并行左右，發(fā)生停滯的時鐘周期。

stalled-cycles-backend：指令執(zhí)行步驟，發(fā)生停滯的時鐘周期。

instructions：執(zhí)行了多少條指令。IPC為平均每個cpu cycle執(zhí)行了多少條指令。

branches：遇到的分支指令數(shù)。branch-misses是預(yù)測錯誤的分支指令數(shù)。

其他常用參數(shù)

    -a, --all-cpus        顯示所有CPU上的統(tǒng)計(jì)信息
    -C, --cpu <cpu>       顯示指定CPU的統(tǒng)計(jì)信息
    -c, --scale           scale/normalize counters
    -D, --delay <n>       ms to wait before starting measurement after program start
    -d, --detailed        detailed run - start a lot of events
    -e, --event <event>   event selector. use 'perf list' to list available events
    -G, --cgroup <name>   monitor event in cgroup name only
    -g, --group           put the counters into a counter group
    -I, --interval-print <n>
                          print counts at regular interval in ms (>= 10)
    -i, --no-inherit      child tasks do not inherit counters
    -n, --null            null run - dont start any counters
    -o, --output <file>   輸出統(tǒng)計(jì)信息到文件
    -p, --pid <pid>       stat events on existing process id
    -r, --repeat <n>      repeat command and print average + stddev (max: 100, forever: 0)
    -S, --sync            call sync() before starting a run
    -t, --tid <tid>       stat events on existing thread id
...

示例

前面統(tǒng)計(jì)程序的示例，下面看一下統(tǒng)計(jì)CPU信息的示例：

執(zhí)行sudo perf stat -C 0，統(tǒng)計(jì)CPU 0的信息。想要停止后，按下Ctrl+C終止。可以看到統(tǒng)計(jì)項(xiàng)一樣，只是統(tǒng)計(jì)對象變了。

al@al-System-Product-Name:~/perf$ sudo perf stat -C 0
^C
  Performance counter stats for 'CPU(s) 0':

       2517.107315      cpu-clock (msec)          #    1.000 CPUs utilized          
              2,941      context-switches          #    0.001 M/sec                  
                109      cpu-migrations            #    0.043 K/sec                  
                 38      page-faults               #    0.015 K/sec                  
        644,094,340      cycles                    #    0.256 GHz                      (49.94%)
         70,425,076      stalled-cycles-frontend   #   10.93% frontend cycles idle     (49.94%)
        965,270,543      stalled-cycles-backend    #  149.86% backend cycles idle      (49.94%)
        623,284,864      instructions              #    0.97  insn per cycle         
                                                   #    1.55  stalled cycles per insn  (50.06%)
         65,658,190      branches                  #   26.085 M/sec                    (50.06%)
          3,276,104      branch-misses             #    4.99% of all branches          (50.06%)

       2.516996126 seconds time elapsed

如果需要統(tǒng)計(jì)更多的項(xiàng)，需要使用-e，如：

結(jié)果如下，關(guān)注的特殊項(xiàng)也納入統(tǒng)計(jì)。

al@al-System-Product-Name:~/perf$ sudo perf stat -e task-clock,context-switches,cpu-migrations,page-faults,cycles,stalled-cycles-frontend,stalled-cycles-backend,instructions,branches,branch-misses,L1-dcache-loads,L1-dcache-load-misses,LLC-loads,LLC-load-misses,dTLB-loads,dTLB-load-misses ls

Performance counter stats for 'ls':

          2.319422      task-clock (msec)         #    0.719 CPUs utilized          
                  0      context-switches          #    0.000 K/sec                  
                  0      cpu-migrations            #    0.000 K/sec                  
                 89      page-faults               #    0.038 M/sec                  
          2,142,386      cycles                    #    0.924 GHz                    
            659,800      stalled-cycles-frontend   #   30.80% frontend cycles idle   
            725,343      stalled-cycles-backend    #   33.86% backend cycles idle    
          1,344,518      instructions              #    0.63  insn per cycle         
                                                   #    0.54  stalled cycles per insn
      <not counted>      branches                                                    
      <not counted>      branch-misses                                               
      <not counted>      L1-dcache-loads                                             
      <not counted>      L1-dcache-load-misses                                       
      <not counted>      LLC-loads                                                   
      <not counted>      LLC-load-misses                                             
      <not counted>      dTLB-loads                                                  
      <not counted>      dTLB-load-misses                                           

       0.003227507 seconds time elapsed

3.4 perf bench

perf bench作為benchmark工具的通用框架，包含sched/mem/numa/futex等子系統(tǒng)，all可以指定所有。

perf bench可用于評估系統(tǒng)sched/mem等特定性能。

perf bench sched：調(diào)度器和IPC機(jī)制。包含messaging和pipe兩個功能。

perf bench mem：內(nèi)存存取性能。包含memcpy和memset兩個功能。

perf bench numa：NUMA架構(gòu)的調(diào)度和內(nèi)存處理性能。包含mem功能。

perf bench futex：futex壓力測試。包含hash/wake/wake-parallel/requeue/lock-pi功能。

perf bench all：所有bench測試的集合

3.4.1 perf bench sched all

測試messaging和pipi兩部分性能。

3.4.1.1 sched messaging評估進(jìn)程調(diào)度和核間通信

sched message 是從經(jīng)典的測試程序 hackbench 移植而來，用來衡量調(diào)度器的性能，overhead 以及可擴(kuò)展性。

該 benchmark 啟動 N 個 reader/sender 進(jìn)程或線程對，通過 IPC(socket 或者 pipe) 進(jìn)行并發(fā)的讀寫。一般人們將 N 不斷加大來衡量調(diào)度器的可擴(kuò)展性。

sched message 的用法及用途和 hackbench 一樣，可以通過修改參數(shù)進(jìn)行不同目的測試：

-g, --group <n> Specify number of groups

-l, --nr_loops <n> Specify the number of loops to run (default: 100)

-p, --pipe Use pipe() instead of socketpair()

-t, --thread Be multi thread instead of multi process

測試結(jié)果：

al@al-System-Product-Name:~/perf$ perf bench sched all
# Running sched/messaging benchmark...
# 20 sender and receiver processes per group
# 10 groups == 400 processes run

     Total time: 0.173 [sec]

# Running sched/pipe benchmark...
# Executed 1000000 pipe operations between two processes

     Total time: 12.233 [sec]

      12.233170 usecs/op
           81744 ops/sec

使用pipe()和socketpair()對測試影響：

1. perf bench sched messaging

# Running 'sched/messaging' benchmark:
# 20 sender and receiver processes per group
# 10 groups == 400 processes run

     Total time: 0.176 [sec]

2. perf bench sched messaging -p

# Running 'sched/messaging' benchmark:
# 20 sender and receiver processes per group
# 10 groups == 400 processes run

     Total time: 0.093 [sec]

可見socketpair()性能要明顯低于pipe()。

3.4.1.2 sched pipe評估pipe性能

sched pipe 從 Ingo Molnar 的 pipe-test-1m.c 移植而來。當(dāng)初 Ingo 的原始程序是為了測試不同的調(diào)度器的性能和公平性的。

其工作原理很簡單，兩個進(jìn)程互相通過 pipe 拼命地發(fā) 1000000 個整數(shù)，進(jìn)程 A 發(fā)給 B，同時 B 發(fā)給 A。因?yàn)?A 和 B 互相依賴，因此假如調(diào)度器不公平，對 A 比 B 好，那么 A 和 B 整體所需要的時間就會更長。

al@al-System-Product-Name:~/perf$ perf bench sched pipe
# Running 'sched/pipe' benchmark:
# Executed 1000000 pipe operations between two processes

     Total time: 12.240 [sec]

      12.240411 usecs/op
           81696 ops/sec

3.4.2 perf bench mem all

該測試衡量 不同版本的memcpy/memset/ 函數(shù)處理一個 1M 數(shù)據(jù)的所花費(fèi)的時間，轉(zhuǎn)換成吞吐率。

al@al-System-Product-Name:~/perf$ perf bench mem all
# Running mem/memcpy benchmark...
# function 'default' (Default memcpy() provided by glibc)
# Copying 1MB bytes ...

       1.236155 GB/sec.

..

3.4.3 perf bench futex

Futex是一種用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)混合機(jī)制，所以需要兩個部分合作完成，linux上提供了sys_futex系統(tǒng)調(diào)用，對進(jìn)程競爭情況下的同步處理提供支持。

所有的futex同步操作都應(yīng)該從用戶空間開始，首先創(chuàng)建一個futex同步變量，也就是位于共享內(nèi)存的一個整型計(jì)數(shù)器。

當(dāng)進(jìn)程嘗試持有鎖或者要進(jìn)入互斥區(qū)的時候，對futex執(zhí)行"down"操作，即原子性的給futex同步變量減1。如果同步變量變?yōu)?，則沒有競爭發(fā)生， 進(jìn)程照常執(zhí)行。

如果同步變量是個負(fù)數(shù)，則意味著有競爭發(fā)生，需要調(diào)用futex系統(tǒng)調(diào)用的futex_wait操作休眠當(dāng)前進(jìn)程。

當(dāng)進(jìn)程釋放鎖或 者要離開互斥區(qū)的時候，對futex進(jìn)行"up"操作，即原子性的給futex同步變量加1。如果同步變量由0變成1，則沒有競爭發(fā)生，進(jìn)程照常執(zhí)行。

如果加之前同步變量是負(fù)數(shù)，則意味著有競爭發(fā)生，需要調(diào)用futex系統(tǒng)調(diào)用的futex_wake操作喚醒一個或者多個等待進(jìn)程。

al@al-System-Product-Name:~/perf$ perf bench futex all
# Running futex/hash benchmark...
Run summary [PID 3806]: 5 threads, each operating on 1024 [private] futexes for 10 secs.

[thread  0] futexes: 0x4003d20 ... 0x4004d1c [ 4635648 ops/sec ]
[thread  1] futexes: 0x4004d30 ... 0x4005d2c [ 4611072 ops/sec ]
[thread  2] futexes: 0x4005e70 ... 0x4006e6c [ 4254515 ops/sec ]
[thread  3] futexes: 0x4006fb0 ... 0x4007fac [ 4559360 ops/sec ]
[thread  4] futexes: 0x40080f0 ... 0x40090ec [ 4636262 ops/sec ]

Averaged 4539371 operations/sec (+- 1.60%), total secs = 10

# Running futex/wake benchmark...
Run summary [PID 3806]: blocking on 5 threads (at [private] futex 0x96b52c), waking up 1 at a time.

[Run 1]: Wokeup 5 of 5 threads in 0.0270 ms
[Run 2]: Wokeup 5 of 5 threads in 0.0370 ms

...

3.4 perf record

運(yùn)行一個命令，并將其數(shù)據(jù)保存到perf.data中。隨后，可以使用perf report進(jìn)行分析。

perf record和perf report可以更精確的分析一個應(yīng)用，perf record可以精確到函數(shù)級別。并且在函數(shù)里面混合顯示匯編語言和代碼。

創(chuàng)建一個fork.c文件用于測試：

#include <stdio.h>void test_little(void)
{  int i,j;  for(i = 0; i < 30000000; i++) 
    j=i; 
}void test_mdedium(void)
{  int i,j;  for(i = 0; i < 60000000; i++) 
    j=i; 
}void test_high(void)
{  int i,j;  for(i = 0; i < 90000000; i++) 
    j=i; 
}void test_hi(void)
{  int i,j;  for(i = 0; i < 120000000; i++) 
    j=i; 
}int main(void)
{  int i, pid, result;  for(i = 0; i<2; i++) {
    result = fork();    if(result>0)
      printf("i=%d parent parent=%d current=%d child=%d\n", i, getppid(), getpid(), result);    else
      printf("i=%d child parent=%d current=%d\n", i, getppid(), getpid());    if(i==0)
    {
      test_little();
      sleep(1);
    } else {
      test_mdedium();
      sleep(1);
    }
  }
  pid = wait(NULL);
  test_high();
  printf("pid=%d wait=%d\n", getpid(), pid);
  sleep(1);
  pid = wait(NULL);
  test_hi();
  printf("pid=%d wait=%d\n", getpid(), pid);  return 0;
}

編譯fork.c文件gcc fork.c -o fork-g -O0，同時可以使用此方法分析是否選擇編譯優(yōu)化產(chǎn)生的結(jié)果。-g是只能callgraph功能，-O0是關(guān)閉優(yōu)化。

常用選項(xiàng)

-e record指定PMU事件
    --filter  event事件過濾器
-a  錄取所有CPU的事件
-p  錄取指定pid進(jìn)程的事件
-o  指定錄取保存數(shù)據(jù)的文件名
-g  使能函數(shù)調(diào)用圖功能
-C 錄取指定CPU的事件

sudo perf record -a -g ./fork：會在當(dāng)前目錄生成perf.data文件。

sudo perf report --call-graph none結(jié)果如下,后面結(jié)合perf timechart分析.

上圖看上去比較亂，如果想只看fork產(chǎn)生的信息：

sudo perf report --call-graph none -c fork

可以看出只顯示了fork程序的相關(guān)符號及其占用率。

3.5 perf report

解析perf record產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并給出分析結(jié)果。

常用參數(shù)：

-i  導(dǎo)入的數(shù)據(jù)文件名稱，如果沒有則默認(rèn)為perf.data

-g  生成函數(shù)調(diào)用關(guān)系圖，此時內(nèi)核要打開CONFIG_KALLSYMS；用戶空間庫或者執(zhí)行文件需要帶符號信息(not stripped)，編譯選項(xiàng)需要加上-g。

--sort  從更高層面顯示分類統(tǒng)計(jì)信息，比如： pid, comm, dso, symbol, parent, cpu,socket, srcline, weight, local_weight.

執(zhí)行sudo perf report -i perf.data，可以看出main函數(shù)所占百分比，以及funcA和funcB分別所占百分比。

在funcB執(zhí)行過程中，還產(chǎn)生了apic timer，占用了一部分cpu資源。除此之外，占比基本上是1：10。

funcA和funcB的占比，基本符合預(yù)期。那么進(jìn)入longa，分析一下熱點(diǎn)。

在C和匯編混合顯示界面，可以看出for循環(huán)占用了69.92%，j=i賦值占用了30.08%。

根據(jù)之上描述，可以看出top適合監(jiān)控整個系統(tǒng)的性能，stat比較適合單個程序的性能分析，record/report更適合對程序進(jìn)行更細(xì)粒度的分析。

注意點(diǎn)：

在使用perf report -g的時候，可能會提示Failed to open /lib/libpthread-0.9.33.2.so, continuing without symbols。

這時候通過file xxx查看，如果提示xxxx stripped表示此文件不包含符號信息，需要xxxx not stripped文件。

3.6 perf timechart

perf timechart是將之前的各種統(tǒng)計(jì)信息圖形化的一個工具。

perf timechart record <option> <command>用于記錄整個系統(tǒng)或者一個應(yīng)用的事件，還可以加option記錄指定類型的事件。

perf timechart用于將perf.data轉(zhuǎn)換成SVG格式的文件，SVG可以通過Inkscape或者瀏覽器打開。

perf timechart record可以指定特定類型的事件：

-P：記錄power相關(guān)事件

-T：記錄任務(wù)相關(guān)事件

-I：記錄io相關(guān)事件

-g：記錄函數(shù)調(diào)用關(guān)系

perf timechart用于將perf timechart record錄取的perf.data轉(zhuǎn)換成output.svg。

-w調(diào)整輸出的svg文件長度，可以查看更多細(xì)節(jié)。

-p可以指定只查看某些進(jìn)程輸出，使用方式：sudo perf timechart -p test1 -p thermald

-o 指定輸出文件名

-i 指定待解析的文件名

-w 輸出SVG文件寬度

-P 只顯示power相關(guān)事件圖標(biāo)

-T , --tasks-only  顯示task信息，不顯示處理器信息

-p 顯示指定進(jìn)程名稱或者PID顯示

--symfs=<directory>  指定系統(tǒng)符號表路徑

-t, --topology  根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對CPU進(jìn)行分類

--highlight=<duration_nsecs|task_name>  對運(yùn)行超過特定時間的task高亮

當(dāng)線程太多影響svg解析速度的時候，可以通過-p指定特定線程進(jìn)行分析。如果需要幾個線程，每個線程采用-p xxx。

sudo perf timechart record -T ./fork && sudo perf timechart –p fork

結(jié)果如下，可以看到相關(guān)task的名稱，開始時間/結(jié)束時間，每個時間點(diǎn)的狀態(tài)（Running/Idle/Deeper Idle/Deepest Idle/Sleeping/Waiting for Cpu /Blocked on IO）。

3.6.1 結(jié)合perf timechart和perf report分析函數(shù)占比

由perf report可知test_little、test_medium、test_high、test_hi四個函數(shù)占比分別為3.84%、12.01%、22.99%、30.43%。

有代碼可知如果以test_little為1單位，那么test_medium就為2單位，test_high為3單位，test_hi為4單位。

四個函數(shù)執(zhí)行次數(shù)分別為2、4、4、4，所以四個函數(shù)每個單位對應(yīng)CPU占比為：

test_little - 3.84%/2=1.9%

test_medium - 12.01%/4/2=1.5%

test_high - 22.99/4/3=1.9%

test_hi - 30.43%/4/4=1.9%

基本上符合預(yù)期。

記錄IO事件，可以看到按應(yīng)用分類的，Disk/Network/Sync/Poll/Error信息。以及每個應(yīng)用數(shù)據(jù)吞吐量。

sudo perf timechart record -I && sudo perf timechart -w 1800。

記錄Power狀態(tài)事件，可以看到不同之處在于Idle之類的狀態(tài)里面還有細(xì)分C/C2更詳細(xì)的顯示Power狀態(tài)。

sudo perf timechart record -I && sudo perf timechart -w 1800

3.7 perf script

用于讀取perf record保存的裸trace數(shù)據(jù)。

使用方法：

       perf script [<options>]
       perf script [<options>] record <script> [<record-options>] <command>
       perf script [<options>] report <script> [script-args]
       perf script [<options>] <script> <required-script-args> [<record-options>] <command>
       perf script [<options>] <top-script> [script-args]
還可以編寫perl或者python腳本進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3.8 perf lock

3.8.1 perf lock內(nèi)核配置

要使用此功能，內(nèi)核需要編譯選項(xiàng)的支持：CONFIG_LOCKDEP、CONFIG_LOCK_STAT。

CONFIG_LOCKDEP defines acquired and release events.

CONFIG_LOCK_STAT defines contended and acquired lock events.

CONFIG_LOCKDEP=y

CONFIG_LOCK_STAT=y

3.8.2 perf lock使用

分析內(nèi)核鎖統(tǒng)計(jì)信息。

鎖是內(nèi)核用于同步的方法，一旦加了鎖，其他加鎖的內(nèi)核執(zhí)行路徑就必須等待，降低了并行。同時，如果加鎖不正確還會造成死鎖。

因此對于內(nèi)核鎖進(jìn)行分析是一項(xiàng)重要的調(diào)優(yōu)工作。

perf lock record：抓取執(zhí)行命令的lock事件信息到perf.data中

perf lock report：產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)報(bào)告

perf lock script：顯示原始lock事件

perf lock info：

-k <value>：sorting key，默認(rèn)為acquired，還可以按contended、wait_total、wait_max和wait_min來排序。

Name：內(nèi)核鎖的名字。

aquired：該鎖被直接獲得的次數(shù)，因?yàn)闆]有其它內(nèi)核路徑占用該鎖，此時不用等待。

contended：該鎖等待后獲得的次數(shù)，此時被其它內(nèi)核路徑占用，需要等待。

total wait：為了獲得該鎖，總共的等待時間。

max wait：為了獲得該鎖，最大的等待時間。

min wait：為了獲得該鎖，最小的等待時間。

3.9 perf kmem

3.9.1 perf kmem介紹

perf kmem用于跟蹤測量內(nèi)核slab分配器事件信息。 
比如內(nèi)存分配/釋放等。可以用來研究程序在哪里分配了大量內(nèi)存，或者在什么地方產(chǎn)生碎片之類的和內(nèi)存管理相關(guān)的問題。

perf kmem和perf lock實(shí)際上都是perf tracepoint的子類，等同于perf record -e kmem:*和perf record -e lock:*。

但是這些工具在內(nèi)部隊(duì)員是數(shù)據(jù)進(jìn)行了慧聰和分析，因此統(tǒng)計(jì)報(bào)表更具可讀性。

perf kmem record：抓取命令的內(nèi)核slab分配器事件

perf kmem stat：生成內(nèi)核slab分配器統(tǒng)計(jì)信息

選項(xiàng)：

--caller  顯示每個調(diào)用點(diǎn)統(tǒng)計(jì)信息

    --alloc   顯示每次內(nèi)存分配事件

-s <key[,key2...]>, --sort=<key[,key2...]>

           Sort the output (default: frag,hit,bytes for slab and bytes,hit for page). Available sort keys are ptr, callsite, bytes, hit, pingpong, frag for slab and page, callsite, bytes, hit, order, migtype, gfp for page.
           This option should be preceded by one of the mode selection options - i.e. --slab, --page, --alloc and/or --caller.

-l <num>, 只顯示固定行數(shù)

    --raw-ip

    Print raw ip instead of symbol

    --slab  分析slab分配器事件

    --page  分析頁分配事件

    --live

           Show live page stat. The perf kmem shows total allocation stat by default, but this option shows live (currently allocated) pages instead. (This option works with --page option only)

3.9.2 perf kmem使用

sudo perf kmem stat只顯示概要統(tǒng)計(jì)信息：

sudo perf kmem --alloc --caller --slab stat顯示了更加詳細(xì)的分類信息：

該報(bào)告有三個部分：根據(jù) Callsite 顯示的部分，所謂 Callsite 即內(nèi)核代碼中調(diào)用 kmalloc 和 kfree 的地方。

比如上圖中的函數(shù)proc_reg_open，Hit 欄為 1，表示該函數(shù)在 record 期間一共調(diào)用了 kmalloc 一次。

對于第一行 Total_alloc/Per 顯示為 1024/1024，第一個值 1024 表示函數(shù) proc_reg_open 總共分配的內(nèi)存大小，Per 表示平均值。

比較有趣的兩個參數(shù)是 Ping-pong 和 Frag。Frag 比較容易理解，即內(nèi)部碎片。雖然相對于 Buddy System，Slab 正是要解決內(nèi)部碎片問題，但 slab 依然存在內(nèi)部碎片，比如一個 cache 的大小為 1024，但需要分配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大小為 1022，那么有 2 個字節(jié)成為碎片。Frag 即碎片的比例。

Ping-pong 是一種現(xiàn)象，在多 CPU 系統(tǒng)中，多個 CPU 共享的內(nèi)存會出現(xiàn)”乒乓現(xiàn)象”。一個 CPU 分配內(nèi)存，其他 CPU 可能訪問該內(nèi)存對象，也可能最終由另外一個 CPU 釋放該內(nèi)存對象。而在多 CPU 系統(tǒng)中，L1 cache 是 per CPU 的，CPU2 修改了內(nèi)存，那么其他的 CPU 的 cache 都必須更新，這對于性能是一個損失。Perf kmem 在 kfree 事件中判斷 CPU 號，如果和 kmalloc 時的不同，則視為一次 ping-pong，理想的情況下 ping-pong 越小越好。Ibm developerworks 上有一篇講述 oprofile 的文章，其中關(guān)于 cache 的調(diào)優(yōu)可以作為很好的參考資料。

Callsite：內(nèi)核代碼中調(diào)用kmalloc和kfree的地方。

Total_alloc/Per：總共分配的內(nèi)存大小，平均每次分配的內(nèi)存大小。

Total_req/Per：總共請求的內(nèi)存大小，平均每次請求的內(nèi)存大小。

Hit：調(diào)用的次數(shù)。

Ping-pong：kmalloc和kfree不被同一個CPU執(zhí)行時的次數(shù)，這會導(dǎo)致cache效率降低。

Frag：碎片所占的百分比，碎片 = 分配的內(nèi)存 - 請求的內(nèi)存，這部分是浪費(fèi)的。

有使用--alloc選項(xiàng)，還會看到Alloc Ptr，即所分配內(nèi)存的地址。

后面則有根據(jù)被調(diào)用地點(diǎn)的顯示方式的部分。

最后一個部分是匯總數(shù)據(jù)，顯示總的分配的內(nèi)存和碎片情況，Cross CPU allocation 即 ping-pong 的匯總。

要分析--page事件，需要在record的時候加上--page選項(xiàng)。sudo perf kmem record --page ls，使用sudo perf kmem stat --page查看結(jié)果：

3.10 perf sched

perf sched專門用于跟蹤/測量調(diào)度器，包括延時等。

perf sched record <command>：錄制測試過程中的調(diào)度事件

perf sched latency：報(bào)告線程調(diào)度延時和其他調(diào)度相關(guān)屬性

perf sched script：查看執(zhí)行過程中詳細(xì)的trace信息

perf sched replay：回放perf sched record錄制的執(zhí)行過程

perf sched map:用字符表示打印上下文切換

執(zhí)行sudo perf sched record ls后，通過不同方式查看結(jié)果。

sudo perf sched latency，可以看到ls進(jìn)程的Average delay/Maximum delay時間。各個 column 的含義如下： Task: 進(jìn)程的名字和 pid Runtime: 實(shí)際運(yùn)行時間 Switches: 進(jìn)程切換的次數(shù) Average delay: 平均的調(diào)度延遲 Maximum delay: 最大延遲

這里最值得人們關(guān)注的是 Maximum delay，一般從這里可以看到對交互性影響最大的特性：調(diào)度延遲，如果調(diào)度延遲比較大，那么用戶就會感受到視頻或者音頻斷斷續(xù)續(xù)的。

sudo perf sched script能看到更詳細(xì)的sched信息，包括sched_wakeup/sched_switch等等。每一列的含義依次是：進(jìn)程名/pid/CPU ID/時間戳。

sudo perf sched map的好處在于提供了一個的總的視圖，將成百上千的調(diào)度事件進(jìn)行總結(jié)，顯示了系統(tǒng)任務(wù)在 CPU 之間的分布，假如有不好的調(diào)度遷移，比如一個任務(wù)沒有被及時遷移到 idle 的 CPU 卻被遷移到其他忙碌的 CPU，類似這種調(diào)度器的問題可以從 map 的報(bào)告中一眼看出來。

星號表示調(diào)度事件發(fā)生所在的 CPU。

點(diǎn)號表示該 CPU 正在 IDLE。

perf sched replay 這個工具更是專門為調(diào)度器開發(fā)人員所設(shè)計(jì)，它試圖重放 perf.data 文件中所記錄的調(diào)度場景。很多情況下，一般用戶假如發(fā)現(xiàn)調(diào)度器的奇怪行為，他們也無法準(zhǔn)確說明發(fā)生該情形的場景，或者一些測試場景不容易再次重現(xiàn)，或者僅僅是出于“偷懶”的目的，使用 perf replay，perf 將模擬 perf.data 中的場景，無需開發(fā)人員花費(fèi)很多的時間去重現(xiàn)過去，這尤其利于調(diào)試過程，因?yàn)樾枰欢?，再而三地重?fù)新的修改是否能改善原始的調(diào)度場景所發(fā)現(xiàn)的問題。

3.11 perf probe

Need to find vmlinux XXXXXXXXXXXXXXXXXX

可以自定義探測點(diǎn)。

Define new dynamic tracepoints.

使用例子

(1) Display which lines in schedule() can be probed

# perf probe --line schedule

前面有行號的可以探測，沒有行號的就不行了。

(2) Add a probe on schedule() function 12th line.

# perf probe -a schedule:12

在schedule函數(shù)的12處增加一個探測點(diǎn)。

3.14 perf trace

perf trace類似于strace，但增加了其他系統(tǒng)事件的分析，比如pagefaults、task lifetime事件、scheduling事件等。

下面的命令可以查看系統(tǒng)中已經(jīng)安裝的腳本：

 # perf trace -l 
    List of available trace scripts: 
      syscall-counts [comm]                system-wide syscall counts 
      syscall-counts-by-pid [comm]         system-wide syscall counts, by pid 
      failed-syscalls-by-pid [comm]        system-wide failed syscalls, by pid

比如 failed-syscalls 腳本，執(zhí)行的效果如下：

 # perf trace record failed-syscalls 
    ^C[ perf record: Woken up 11 times to write data ]                         
    [ perf record: Captured and wrote 1.939 MB perf.data (~84709 samples) ]   
 perf trace report failed-syscalls 
    perf trace started with Perl script \ 
	 /root/libexec/perf-core/scripts/perl/failed-syscalls.pl 
    failed syscalls, by comm: 
    comm                    # errors 
    --------------------  ---------- 
    firefox                     1721 
    claws-mail                   149 
    konsole                       99 
    X                             77 
    emacs                         56 
    [...] 
    failed syscalls, by syscall: 
    syscall                           # errors 
    ------------------------------  ---------- 
    sys_read                              2042 
    sys_futex                              130 
    sys_mmap_pgoff                          71 
    sys_access                              33 
    sys_stat64                               5 
    sys_inotify_add_watch                    4 
    [...]

該報(bào)表分別按進(jìn)程和按系統(tǒng)調(diào)用顯示失敗的次數(shù)。非常簡單明了，而如果通過普通的 perf record 加 perf report 命令，則需要自己手工或者編寫腳本來統(tǒng)計(jì)這些數(shù)字。

4. perf擴(kuò)展應(yīng)用

4.1 Flame Graph

FlameGraph 是

1.抓取perf信息并轉(zhuǎn)換

perf record -F 99 -a -g -- sleep 60
perf script > out.perf

./stackcollapse-perf.pl out.perf > out.folded

./flamegraph.pl out.kern_folded > kernel.svg

上述就是小編為大家分享的如何分析工具perf的介紹與使用了，如果剛好有類似的疑惑，不妨參照上述分析進(jìn)行理解。如果想知道更多相關(guān)知識，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。