【perf】如何使用perf和火焰图分析系统性能？

一、实验环境

二、实验案例分析

 

安装完成后，我们先在第一个终端，执行下面的命令运行案例，也就是一个最基本的 Nginx 应用：

 运行 Nginx 服务并对外开放 80 端口

# docker run -itd --name=nginx -p 80:80  nginx

然后，在第二个终端，使用 curl 访问 Nginx 监听的端口，确认 Nginx 正常启动。

假设 192.168.0.30 是 Nginx 所在虚拟机的 IP 地址，运行 curl 命令后，你应该会看到下面这个输出界面：

#  curl http://192.168.0.30/

接着，还是在第二个终端中，运行 hping3 命令，模拟 Nginx 的客户端请求：

#  hping3 -S -p 80 -i u10 192.168.0.30

 

现在，我们再回到第一个终端，你应该就会发现异常——系统的响应明显变慢了。

我们不妨执行 top，观察一下系统和进程的 CPU 使用情况：

从 top 的输出中，你可以看到，两个 CPU 的软中断使用率都超过了 30%；而 CPU 使用率最高的进程，正好是软中断内核线程 ksoftirqd/0 和 ksoftirqd/1。

虽然，我们已经知道了 ksoftirqd 的基本功能，可以猜测是因为大量网络收发，引起了 CPU 使用率升高；但它到底在执行什么逻辑，我们却并不知道。

对于普通进程，我们要观察其行为有很多方法，比如 strace、pstack、lsof 等等。但这些工具并不适合内核线程，比如，如果你用 pstack ，或者通过 /proc/pid/stack 查看 ksoftirqd/0（进程号为 9）的调用栈时，分别可以得到以下输出：

那还有没有其他方法，来观察内核线程 ksoftirqd 的行为呢？

既然是内核线程，自然应该用到内核中提供的机制。回顾一下我们之前用过的 CPU 性能工具，我想你肯定还记得 perf ，这个内核自带的性能剖析工具。

perf 可以对指定的进程或者事件进行采样，并且还可以用调用栈的形式，输出整个调用链上的汇总信息。 

我们不妨就用 perf ，来试着分析一下进程号为 9 的 ksoftirqd。

 

#  perf record -a -g -p 9 -- sleep 30

稍等一会儿，在上述命令结束后，继续执行 perf report命令，你就可以得到 perf 的汇总报告。

按上下方向键以及回车键，展开比例最高的 ksoftirqd 后，你就可以得到下面这个调用关系链图：

从这个图中，你可以清楚看到 ksoftirqd 执行最多的调用过程。

虽然你可能不太熟悉内核源码，但通过这些函数，我们可以大致看出它的调用栈过程。

 

 

我们的猜测对不对呢？

实际上，我们案例最开始用 Docker 启动了容器，而 Docker 会自动为容器创建虚拟网卡、桥接到 docker0 网桥并配置 NAT 规则。

这一过程，如下图所示：

当然了，前面 perf report 界面的调用链还可以继续展开。

不幸的是我的屏幕不够大，如果展开更多的层级，最后几个层级会超出屏幕范围。

这样，即使我们能看到大部分的调用过程，却也不能说明后面层级就没问题。

 

那么，有没有更好的方法，来查看整个调用栈的信息呢？

火焰图

针对 perf 汇总数据的展示问题，Brendan Gragg 发明了火焰图，通过矢量图的形式，更直观展示汇总结果。

下图就是一个针对 MySQL 的火焰图示例。

图片来自 Brendan Gregg 博客  

这张图看起来像是跳动的火焰，因此也就被称为火焰图。

 

要理解火焰图，我们最重要的是区分清楚横轴和纵轴的含义：

上面 MySQL 火焰图的示例，就表示了 CPU 的繁忙情况，这种火焰图也被称为 on-CPU 火焰图。

如果我们根据性能分析的目标来划分，火焰图可以分为下面这几种：

了解了火焰图的含义和查看方法后，接下来，我们再回到案例，运用火焰图来观察刚才 perf record 得到的记录。

 

火焰图分析

 

首先，我们需要生成火焰图。我们先下载几个能从 perf record 记录生成火焰图的工具，这些工具都放在 https://github.com/brendangregg/FlameGraph 上面。

你可以执行下面的命令来下载：

#  git clone https://github.com/brendangregg/FlameGraph

#  cd FlameGraph

安装好工具后，要生成火焰图，其实主要需要三个步骤：

执行 perf script ，将 perf record 的记录转换成可读的采样记录；

执行 stackcollapse-perf.pl 脚本，合并调用栈信息；

执行 flamegraph.pl 脚本，生成火焰图。

 

不过，在 Linux 中，我们可以使用管道，来简化这三个步骤的执行过程。

假设刚才用 perf record 生成的文件路径为 /root/perf.data，执行下面的命令，你就可以直接生成火焰图：

 

# perf script -i  /root/perf.data | ./stackcollapse-perf.pl --all | ./flamegraph.pl > ksoftirqd.svg

 

执行成功后，使用浏览器打开 ksoftirqd.svg ，你就可以看到生成的火焰图了。

如下图所示：

 

根据刚刚讲过的火焰图原理，这个图应该从下往上看，沿着调用栈中最宽的函数来分析执行次数最多的函数。

这儿看到的结果，其实跟刚才的 perf report 类似，但直观了很多，中间这一团火，很明显就是最需要我们关注的地方。

 

我们顺着调用栈由下往上看（顺着图中蓝色箭头），就可以得到跟刚才 perf report 中一样的结果：

不过最后，到了 ip_forward 这里，已经看不清函数名称了。

所以我们需要点击 ip_forward，展开最上面这一块调用栈：

这样，就可以进一步看到 ip_forward 后的行为，也就是把网络包发送出去。根据这个调用过程，再结合我们前面学习的网络收发和 TCP/IP 协议栈原理，这个流程中的网络接收、网桥以及 netfilter 调用等，都是导致软中断 CPU 升高的重要因素，也就是影响网络性能的潜在瓶颈。

 

不过，回想一下网络收发的流程，你可能会觉得它缺了好多步骤。

比如，这个堆栈中并没有 TCP 相关的调用，也没有连接跟踪 conntrack 相关的函数。实际上，这些流程都在其他更小的火焰中，你可以点击上图左上角的“Reset Zoom”，回到完整火焰图中，再去查看其他小火焰的堆栈。

所以，在理解这个调用栈时要注意，从任何一个点出发、纵向来看的整个调用栈，其实只是最顶端那一个函数的调用堆栈，而非完整的内核网络执行流程。

另外，整个火焰图不包含任何时间的因素，所以并不能看出横向各个函数的执行次序。

到这里，我们就找出了内核线程 ksoftirqd 执行最频繁的函数调用堆栈，而这个堆栈中的各层级函数，就是潜在的性能瓶颈来源。这样，后面想要进一步分析、优化时，也就有了根据。

 

当时，我们从软中断 CPU 使用率的角度入手，用网络抓包的方法找出了瓶颈来源，确认是测试机器发送的大量 SYN 包导致的。而通过今天的 perf 和火焰图方法，我们进一步找出了软中断内核线程的热点函数，其实也就找出了潜在的瓶颈和优化方向。

其实，如果遇到的是内核线程的资源使用异常，很多常用的进程级性能工具并不能帮上忙。这时，你就可以用内核自带的 perf 来观察它们的行为，找出热点函数，进一步定位性能瓶。当然，perf 产生的汇总报告并不够直观，所以我也推荐你用火焰图来协助排查。

实际上，火焰图方法同样适用于普通进程。比如，在分析 Nginx、MySQL 等各种应用场景的性能问题时，火焰图也能帮你更快定位热点函数，找出潜在性能问题。

 

三、参考

内核线程 CPU 利用率太高，我该怎么办？

https://time.geekbang.org/column/article/86330

 

 

 

SVG 图像入门教程

https://www.ruanyifeng.com/blog/2018/08/svg.html

SVG 简介

https://www.runoob.com/svg/svg-intro.html

 

如何读懂火焰图？

http://www.ruanyifeng.com/blog/2017/09/flame-graph.html

 

火焰图介绍

https://book.aikaiyuan.com/linux/www.lijiaocn.com/linux/chapter1/04-flame-graphs.html

 

火焰图性能分析 perf

https://www.jevic.cn/2019/03/03/perf

 

perf + 火焰图分析程序性能

https://www.cnblogs.com/happyliu/p/6142929.html

 

使用 Perf 和火焰图分析 CPU 性能

http://senlinzhan.github.io/2018/03/18/perf

 

利用火焰图分析程序性能瓶颈

https://blog.angelmsger.com/%E5%88%A9%E7%94%A8%E7%81%AB%E7%84%B0%E5%9B%BE%E5%88%86%E6%9E%90%E7%A8%8B%E5%BA%8F%E6%80%A7%E8%83%BD%E7%93%B6%E9%A2%88