Perf 性能分析指南

安裝

在開發板上使用 apt 安裝 perf 命令：

apt install -y perf

或者進入kernel內核源碼目錄tools/perf，交叉編譯執行make，然後拷貝到開發板中運行。

認識 Perf

perf可以用來統計一個程序運行期間花了多少時間、上下文切換次數、cache 命中率等一些性能相關的事件，通過 perf 可以分析一個程序的性能瓶頸，從而對程序做出優化。

perf 性能事件的關係圖如下:

執行命令：

perf list

可以看到如下顯示：

branch-instructions OR branches                    [Hardware event]
branch-misses                                      [Hardware event]
cache-misses                                       [Hardware event]
... ...

context-switches OR cs                             [Software event]
page-faults OR faults                              [Software event]
... ...

L1-dcache-load-misses                              [Hardware cache event]
L1-dcache-loads                                    [Hardware cache event]
... ...

block:block_bio_backmerge                          [Tracepoint event]
clk:clk_enable                                     [Tracepoint event]
dma_fence:dma_fence_destroy                        [Tracepoint event]
... ...

其中

• hardware event 是硬件相關的性能事件

• software event 是軟件相關的性能事件

• hardware cache event 是 cache 相關的性能事件

• tracepoint event 是內核設置的相關的性能事件

perf的性能事件主要可以分爲以上四類，但是像hardware event這類事件依賴於硬件的實現，如果硬件不支持也無法統計。部分的其它事件在使用的過程也會遇到不支持的情況。

另外執行perf list命令並不會把所有的事件都列舉出來，perf list只會顯示支持的事件，如果不支持就看不到了。

Perf 功能概覽

perf的功能可以分爲基礎子命令和功能型子命令兩大類。

基礎子命令是最常用的命令，是必須要學會的。

基礎子命令如下：

功能型子命令如下：

更多的命令詳細參考perf -h說明。

Perf 基礎子命令

perf list

perf list 可以列舉支持哪些事件：

perf stat

perf stat可以採樣perf list所列舉的事件，使用幫助如下：

perf stat -h

-a, --all-cpus        system-wide collection from all CPUs
-A, --no-aggr         disable CPU count aggregation
-B, --big-num         print large numbers with thousands' separators
-C, --cpu <cpu>       list of cpus to monitor in system-wide
-D, --delay <n>       ms to wait before starting measurement after program start (-1: start with events disabled)
-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
... ...

perf stat可以通過-e指定某個事件，例如統計ls命令的cpu-clock事件：

對於tracepoint event事件，其本身就分爲很多種類型，例如：block:block_bio_backmerge，就表示block這個類型的block_bio_backmerge這個採樣點。

tracepoint event支持採樣類型和採樣點非常多，有clk，mmc，sched等類型，而其中每個採樣類型又分爲更多的採樣點，因此，可以通過perf list後面跟上採樣類型的名字，來查看某個特性類型的採樣點。

可以看到，一個sched類型，對應很多采樣點。

對應着sched:sched_switch這個採樣點。通過perf stat子命令可以得到觀測結果：

可以看到，執行ls，cpu運行了29次sched_switch，也就是對應的__schedule 函數。

其實tracepoint event最強大的地方在於時間的統計，內核中每個採樣點都代表了一些重要的時刻，比如，進程切換了，調度器把進程放入runqueue，或者開始真正的進程運行，都會加上一個tracepoint，來記錄時間，從而爲分析和調試提供支持。

perf record & perf report

perf stat子命令展示的是即時的數據，若想要獲取更多信息，則需要用perf record子命令將信息組成一個perf.data文件，並利用perf report將其解析並展示出來。

因此perf record和perf report命令通常是一起使用的。

同樣的，perf record和perf report子命令也具有相當多的參數。

perf report -h

-b, --branch-stack    use branch records for per branch histogram filling
-c, --comms <comm[,comm...]>
only consider symbols in these comms
-C, --cpu <cpu>       list of cpus to profile
... ...

例如對context-switches事件採樣：

perf record -e context-switches -a sleep 1

然後執行perf report顯示更多的詳細信息：

可以看到，perf report子命令不光展示了cpu執行sleep 1時發生的上下文切換次數，還展示了這切換都分佈在哪些進程中。

perf script

perf script主要被用來生成perf.unfold文件，被交給一個名叫FlameGraph（火焰圖）的工具，這個工具會解析 perf.unfold 數據，然後將其轉換成易於人類閱讀和分析的圖形。

火焰圖

wget "https://github.com/brendangregg/FlameGraph/archive/master.zip"
unzip master.zip

如果希望瞭解 CPU 在一段時間內的都運行了哪些函數以及各函數都消耗了多少時間，就可以使用 On CPU 火焰圖，這種火焰圖基於cpu-cycles事件進行採樣，然後通過svg圖片格式展現出來

dd if=/dev/zero of=/tmp/testfile bs=4K count=102400 &
perf record -e cpu-cycles -a -g sleep 1
perf script > perf.unfold
cd FlameGraph-master
./stackcollapse-perf.pl < ../perf.unfold | ./flamegraph.pl > ../perf.svg

首先在後臺啓動一個dd命令，讓它持續運行一段時間，然後開啓perf record，記錄一秒鐘內cpu都運行了多少個cpu-cycles，也就是時間（同時使能-g，就會一併記錄運行的函數以及調用關係），再利用perf script命令將perf.data轉成perf.unfold，最後利用FlameGraph工具將其轉換成一個perf.svg，這是一個圖形文件，用瀏覽器打開後會得到這樣一幅圖：

此圖記錄着函數調用關係及其 cpu-cycles（時間）佔比，就像一縷縷升起的火苗，所以被稱之爲火焰圖。

火焰圖還可以通過鼠標點擊放大，觀察其細節，如下：

Perf 功能型子命令

列舉 2 個perf功能型子命令實例top和bench，更多的參考-h列舉的說明。

perf top

perf top子命令動態地顯示各種採樣事件，例如：

perf top -e sched:sched_wakeup

perf bench

perf bench子命令是perf內部集成的一個benchmark測試程序，可以看一下perf bench支持哪些benchmark：

可見，benchmark有sched，mem, futex等幾大類

perf bench mem

而mem裏又包含了 2 個測試點

perf bench mem memcpy

perf bench mem memset

總結

perf 是用於性能分析的一個工具，功能強大，用法也非常多。但是要真正用明白，懂得分析，需要長時間的學習和沉澱。

例如必須得知道cycles、instructions、分支預測等這些是什麼意思，每個性能事件的統計值高低所帶來的影響分別是什麼，如何增加 / 降低某個性能事件的統計值等等，只有在具備這些理論基礎的情況下，去分析 perf 的統計值才比較有意義。

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/TJIy9fvCJPjeVwWzjkJyxw