C++：perf详解 + Flame Graph火焰图分析程序性能

因为项目需求，C++和java同时在搞，最近了解到Flame Graph火焰图这个工具，网上查了查资料，这里记录一下。

1 介绍

web site

http://www.brendangregg.com/flamegraphs.html

git：

https://github.com/brendangregg/FlameGraph

     火焰图是一个可视化工具，可以将诸多性能检测相关的命令行工具的结果进行可视化展示，方便侦测性能热点。

不同火焰图类型:

• CPU
• Memory
• Off-CPU
• Hot/Cold
• Differential

其支持将以下工具的采样结果进行可视化展示：

• Linux: perf, eBPF, SystemTap, and ktap
• Solaris, illumos, FreeBSD: DTrace
• Mac OS X: DTrace and Instruments
• Windows: Xperf.exe

本文以perf为例介绍(关于perf的用法可以参考perf examples如何在Linux上采集性能数据并且生成火焰图。

2 perf命令简要介绍

perf是Linux下的一款性能分析工具，能够进行函数级与指令级的热点查找。

2.1 Perf List

利用perf剖析程序性能时，需要指定当前测试的性能时间。性能事件是指在处理器或操作系统中发生的，可能影响到程序性能的硬件事件或软件事件

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2.2 Perf top

实时显示系统/进程的性能统计信息

常用参数

-e：指定性能事件
-a：显示在所有CPU上的性能统计信息
-C：显示在指定CPU上的性能统计信息
-p：指定进程PID
-t：指定线程TID
-K：隐藏内核统计信息
-U：隐藏用户空间的统计信息
-s：指定待解析的符号信息
‘‐G’ or‘‐‐call‐graph’

graph: 使用调用树，将每条调用路径进一步折叠。这种显示方式更加直观。
    每条调用路径的采样率为绝对值。也就是该条路径占整个采样域的比率。
fractal
    默认选项。类似与 graph，但是每条路径前的采样率为相对值。
flat
    不折叠各条调用
选项 call_order 用以设定调用图谱的显示顺序，该选项有 2个取值，分别是

callee 与caller。
   将该选项设为callee 时，perf按照被调用的顺序显示调用图谱，上层函数被下层函数所调用。
   该选项被设为caller 时，按照调用顺序显示调用图谱，即上层函数调用了下层函数路径，也不显示每条调用路径的采样率

注： Perf top需要root权限

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2.3 Perf stat

分析系统/进程的整体性能概况

task‐clock事件表示目标任务真正占用处理器的时间，单位是毫秒。也称任务执行时间
context-switches是系统发生上下文切换的次数
CPU-migrations是任务从一个处理器迁往另外一个处理器的次数
page-faults是内核发生缺页的次数
cycles是程序消耗的处理器周期数
instructions是指命令执行期间产生的处理器指令数
branches是指程序在执行期间遇到的分支指令数。
branch‐misses是预测错误的分支指令数。
XXX seconds time elapsed系程序持续时间
任务执行时间/任务持续时间大于1，那可以肯定是多核引起的

参数设置：
-e：选择性能事件
-i：禁止子任务继承父任务的性能计数器。
-r：重复执行 n 次目标程序，并给出性能指标在n 次执行中的变化范围。
-n：仅输出目标程序的执行时间，而不开启任何性能计数器。
-a：指定全部cpu
-C：指定某个cpu
-A：将给出每个处理器上相应的信息。
-p：指定待分析的进程id
-t：指定待分析的线程id

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2.4 Perf record

记录一段时间内系统/进程的性能时间

参数：
 -e：选择性能事件
 -p：待分析进程的id
 -t：待分析线程的id
 -a：分析整个系统的性能
 -C：只采集指定CPU数据
 -c：事件的采样周期
 -o：指定输出文件，默认为perf.data
 -A：以append的方式写输出文件
 -f：以OverWrite的方式写输出文件
 -g：记录函数间的调用关系

 -F：采样评率，采样频率建议在4000以内，避免造成太多开销

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2.5 Perf Report

读取perf record生成的数据文件，并显示分析数据

参数

-i：输入的数据文件
-v：显示每个符号的地址
-d ：只显示指定dos的符号
-C：只显示指定comm的信息（Comm. 触发事件的进程名）
-S：只考虑指定符号
-U：只显示已解析的符号
-g[type,min,order]：显示调用关系，具体等同于perf top命令中的-g
-c：只显示指定cpu采样信息
-M：以指定汇编指令风格显示
–source：以汇编和source的形式进行显示
-p：用指定正则表达式过滤调用函数

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性能调优时，我们通常需要分析查找到程序百分比高的热点代码片段，这便需要使用 perf record 记录单个函数级别的统计信息，并使用 perf report 来显示统计结果；

 

举例

perf record -e cpu-clock -g -p 222

-g 选项是告诉perf record额外记录函数的调用关系

-e cpu-clock 指perf record监控的指标为cpu周期

-p 指定需要record的进程pid

 

3 配置采集

https://superuser.com/questions/980632/run-perf-without-root-rights

Files in /proc that are writable are usually changed by echoing a value into them. You should try:

sudo sh -c 'echo 1 >/proc/sys/kernel/perf_event_paranoid'

The files under /proc/sys/ also have the sysctl command for easy access, so you can instead do:

sudo sysctl -w kernel.perf_event_paranoid=1

(though the -w for write seems to be optional). To ensure this is done at boot time create your own /etc/sysctl.d/99-mysettings.conf file with the line

kernel.perf_event_paranoid=1

Choose a filename that will not override existing files in /run/sysctl.d/ and /usr/lib/sysctl.d/. See man sysctl.d

 

4 实例：

4.1 实例1：

4.1.1 安装FlameGraph

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

unzip master.zip

sudo mv FlameGraph-master/ /opt/FlameGraph

添加到环境变量 编辑/etc/profile，增加

#FlameGraph

export PATH=$PATH:/opt/FlameGraph

4.1.2 查找程序的pid

$ ps -aux|grep cjdroute

nobody 31779 0.2 0.0 19208 4000 pts/37 S 15:35 0:10 /home/name/cjdroute/cjdns/cjdroute core /tmp client-core-puux8w0hdr7y5kdq9u12qqz7s7cgw5

pid为31779

4.1.3 生成CPU采样文件

sudo perf record -F 99 -p 31779 -g -o in-fb.data -- sleep 60

sudo perf script -i in-fb.data > in-fb.perf

首先使用99HZ的采样频率，对pid为31779的进程进行采样，采样输出到in-fb.data中，采样时长为60秒

4.1.4 生成CPU火焰图

stackcollapse-perf.pl in-fb.perf >in-fb.folded

flamegraph.pl in-fb.folded >in-fb-cpu.svg

火焰图可以使用浏览器来打开

     X轴是CPU时间，色块越宽，表示对应函数占用的CPU时间越多，可能是性能热点。Y轴是函数调用栈，最顶端的是正在执行的函数。如果出现unknow则说明缺少调试信息。

4.1.5 一个简单的脚本

#!/bin/sh
DIR=/your-path/
sudo perf record -F 99 -p $1 -g -o $DIR/cpu.data -- sleep $2
sudo perf script -i $DIR/cpu.data > $DIR/cpu.perf
stackcollapse-perf.pl $DIR/cpu.perf > $DIR/cpu.folded
flamegraph.pl $DIR/cpu.folded > $DIR/cpu1.svg

使用方法：对进程1234采样60秒

bash perf 1234 60

其他脚本：

if [ $# -ne 1 ];then
  echo "Usage: $0 seconds"
  exit 1
fi

perf record -a -g-o perf.data &

PID=`ps aux| grep "perf record"| grep -v grep| awk '{print $2}'`

if [ -n "$PID" ]; then
  sleep $1
  kill -s INT $PID
fi

# wait until perf exite
sleep 1

perf script -i perf.data &> perf.unfold
perl stackcollapse-perf.pl perf.unfold &> perf.folded
perl flamegraph.pl perf.folded >perf.svg

  将上面的脚本保存为perf_flame_graph.sh。根据上面的Usage可以看出在执行的时候，只需要指定采样的时间，单位为秒。
 

4.2 实例2

4.2.1 第1步：下载FlameGraph

[zhongcy@server home/zhongcy]$ git clone https://github.com/brendangregg/FlameGraph

4.2.2 第2步：安装perf工具

[root@server home/root]$ sudo yum install perf

4.2.3 第2步：调用perf进行采样，并设置结果文件权限

[root@server FlameGraph]$ sudo perf record -F 99 -a -g -- sleep 60
[ perf record: Woken up 8 times to write data ]
[ perf record: Captured and wrote 3.975 MB perf.data (47520 samples) ]
[root@server FlameGraph]$ sudo chown zhongcy:zhongcy perf.data
[root@server FlameGraph]$ exit

4.2.4 第3步：生成火焰图

[zhongcy@server FlameGraph]$ perf script | ./stackcollapse-perf.pl > out.perf-folded
[kernel.kallsyms] with build id 6a0789weqfsswerwerad891df16787 not found, continuing without symbols
Failed to open [vsyscall], continuing without symbols
[vdso] with build id 6fc7sdfsfwqq5843ecfgg1e7a not found, continuing without symbols
[zhongcy@server FlameGraph]$  ./flamegraph.pl out.perf-folded > perf-kernel.svg

 

4.3 实例3，调试java程序

      因为我们采集的是JAVA进程，perf采集的内容只会显示一个JAVA线程的内存地址，不会详细展示其堆栈信息，因此我们需要另外个工具perf-map-agent 来帮助我们

      PS: 感觉火焰图来分析JAVA性能热点还是略麻烦，依赖比较多，单纯看JAVA线程的cpu占用top可以考虑使用greys-anatomy。 如果是C++程序或者C程序，用火焰图更加方便些。

4.3.1 安装火焰图

clone下github上项目即可

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

4.3.2 安装perf-map-agent

git clone https://github.com/jvm-profiling-tools/perf-map-agent 
cd perf-map-agent/ 
sudo yum install cmake 
sudo yum install gcc 
sudo yum install gcc-c++ 
sudo cmake . 
sudo make 

如果cmake提示版本低按照如下方式升级

 wget https://cmake.org/files/v3.6/cmake-3.6.2.tar.gz
 tar -zxvf cmake-3.6.2.tar.gz
cd cmake-3.6.2
 sudo ./bootstrap --prefix=/usr/local
 sudo make
 sudo make install

4.3.3 性能采用并且生成火焰图

PS:采样频率建议在4000以内，避免造成太多开销

# -F设定频率，-p指定线程，-g表示记录调用栈信息,该命令执行采样5秒后会在当前目录生成perf.data
sudo perf record -F99 -p -g  sleep 60

# 获取进程堆栈信息
./jmaps 

# 下面是一个工作流，直接通过perf script解析perf.data里面的内容，然后通过perl脚本生成火焰图。将自己的perf.data拷贝到FlameGraph所在目录，再执行以下命令
sudo perf script | ./stackcollapse-perf.pl --all | ./flamegraph.pl --color=java --hash > kaiming-example-perf.svg

将生成的kaiming-example-perf.svg拷贝到本地，并且用浏览器打开就可以看到火焰图了：

 

 

5 参考资料：

http://linux.51yip.com/search/perf

https://ivanzz1001.github.io/records/post/linuxops/2017/11/16/linux-perf-usge

https://ichrisking.github.io/2018/03/08/FlameGraph/

https://www.cnblogs.com/felixzh/p/8932984.html

https://kaimingwan.com/post/gong-ju/xing-neng-diao-you-gong-ju/shi-yong-huo-yan-tu-flamegraph-fen-xi-cheng-xu-xing-neng-re-dian