linux 性能分析工具perf使用详解

 

1、perf安装

      sudo yum install perf

2、perf使用

     Perf包含22种子工具的工具集,以下是最常用的5种:

2.1 perf-list

     Perf-list用来查看perf所支持的性能事件,有软件的也有硬件的。

    List all symbolic event types.

    perf list [hw | sw | cache | tracepoint | event_glob]

    (1) 性能事件的分布

         hw:Hardware event,9个

         sw:Software event,9个

         cache:Hardware cache event,26个

         tracepoint:Tracepoint event,775个

 

     sw实际上是内核的计数器,与硬件无关。

     hw和cache是CPU架构相关的,依赖于具体硬件。

     tracepoint是基于内核的ftrace,主线2.6.3x以上的内核版本才支持。

 

    (2) 指定性能事件(以它的属性)

    -e : u // userspace

    -e : k // kernel

    -e : h // hypervisor

    -e : G // guest counting (in KVM guests)

    -e : H // host counting (not in KVM guests)

    (3) 使用例子

    显示内核和模块中,消耗最多CPU周期的函数:

    # perf top -e cycles:k

    显示分配高速缓存最多的函数:

    # perf top -e kmem:kmem_cache_alloc

2.2 perf-stat

     用于分析指定程序的性能概况。

     Run a command and gather performance counter statistics.

     perf stat [-e | --event=EVENT] [-a]

     perf stat [-e | --event=EVENT] [-a] - []

 

     (1) 输出格式

      # perf stat ls
      [plain] view plain copy
      在CODE上查看代码片派生到我的代码片

    Performance counter stats for 'ls':  
      
                   0.653782     task-clock                                      #    0.691 CPUs utilized            
                    0                 context-switches                             #    0.000 K/sec                    
                    0                CPU-migrations                              #    0.000 K/sec                    
                    247            page-faults                                     #    0.378 M/sec                    
                 1,625,426     cycles                                             #    2.486 GHz                      
            1,050,293          stalled-cycles-frontend                  #   64.62% frontend cycles idle     
              838,781           stalled-cycles-backend                 #   51.60% backend  cycles idle     
            1,055,735          instructions                                  #    0.65  insns per cycle          
                                                                                          #    0.99  stalled cycles per insn  
              210,587          branches                                       #  322.106 M/sec                    
               10,809         branch-misses                                 #    5.13% of all branches          
      
          0.000945883 seconds time elapsed  

 

        输出包括ls的执行时间,以及10个性能事件的统计。

        task-clock:任务真正占用的处理器时间,单位为ms。CPUs utilized = task-clock / time elapsed,CPU的占用率。

       context-switches:上下文的切换次数。

      CPU-migrations:处理器迁移次数。Linux为了维持多个处理器的负载均衡,在特定条件下会将某个任务从一个CPU

迁移到另一个CPU。

     page-faults:缺页异常的次数。当应用程序请求的页面尚未建立、请求的页面不在内存中,或者请求的页面虽然在内

存中,但物理地址和虚拟地址的映射关系尚未建立时,都会触发一次缺页异常。另外TLB不命中,页面访问权限不匹配

等情况也会触发缺页异常。

       cycles:消耗的处理器周期数。如果把被ls使用的cpu cycles看成是一个处理器的,那么它的主频为2.486GHz。

可以用cycles / task-clock算出。

      stalled-cycles-frontend:略过。

       stalled-cycles-backend:略过。

      instructions:执行了多少条指令。IPC为平均每个cpu cycle执行了多少条指令。

      branches:遇到的分支指令数。branch-misses是预测错误的分支指令数。

 

      (2) 常用参数

             -p:stat events on existing process id (comma separated list). 仅分析目标进程及其创建的线程。

             -a:system-wide collection from all CPUs. 从所有CPU上收集性能数据。

             -r:repeat command and print average + stddev (max: 100). 重复执行命令求平均。

            -C:Count only on the list of CPUs provided (comma separated list), 从指定CPU上收集性能数据。

            -v:be more verbose (show counter open errors, etc), 显示更多性能数据。

            -n:null run - don't start any counters,只显示任务的执行时间 。

           -x SEP:指定输出列的分隔符。

           -o file:指定输出文件,--append指定追加模式。

           --pre :执行目标程序前先执行的程序。

           --post :执行目标程序后再执行的程序。

 

     (3) 使用例子

          执行10次程序,给出标准偏差与期望的比值:

           # perf stat -r 10 ls > /dev/null

           显示更详细的信息:

          # perf stat -v ls > /dev/null

          只显示任务执行时间,不显示性能计数器:

          # perf stat -n ls > /dev/null

          单独给出每个CPU上的信息:

           # perf stat -a -A ls > /dev/null

           ls命令执行了多少次系统调用:

            # perf stat -e syscalls:sys_enter ls
 

2.3 perf-top

    对于一个指定的性能事件(默认是CPU周期),显示消耗最多的函数或指令。

    System profiling tool.

    Generates and displays a performance counter profile in real time.

    perf top [-e | --event=EVENT] []

    perf top主要用于实时分析各个函数在某个性能事件上的热度,能够快速的定位热点函数,包括应用程序函数、

模块函数与内核函数,甚至能够定位到热点指令。默认的性能事件为cpu cycles。

 

    (1) 输出格式

        # perf top

         Samples: 1M of event 'cycles', Event count (approx.): 73891391490  
         5.44%  perf              [.] 0x0000000000023256        
         4.86%  [kernel]          [k] _spin_lock                
         2.43%  [kernel]          [k] _spin_lock_bh             
         2.29%  [kernel]          [k] _spin_lock_irqsave        
         1.77%  [kernel]          [k] __d_lookup                
         1.55%  libc-2.12.so      [.] __strcmp_sse42            
         1.43%  nginx             [.] ngx_vslprintf             
         1.37%  [kernel]          [k] tcp_poll            

     第一列:符号引发的性能事件的比例,默认指占用的cpu周期比例。

     第二列:符号所在的DSO(Dynamic Shared Object),可以是应用程序、内核、动态链接库、模块。

     第三列:DSO的类型。[.]表示此符号属于用户态的ELF文件,包括可执行文件与动态链接库)。[k]表述此符号属于内核或模块。

     第四列:符号名。有些符号不能解析为函数名,只能用地址表示。

 

     (2) 常用交互命令

          h:显示帮助

           UP/DOWN/PGUP/PGDN/SPACE:上下和翻页。

          a:annotate current symbol,注解当前符号。能够给出汇编语言的注解,给出各条指令的采样率。

          d:过滤掉所有不属于此DSO的符号。非常方便查看同一类别的符号。

          P:将当前信息保存到perf.hist.N中。

 

      (3) 常用命令行参数

         -e :指明要分析的性能事件。

          -p :Profile events on existing Process ID (comma sperated list). 仅分析目标进程及其创建的线程。

          -k :Path to vmlinux. Required for annotation functionality. 带符号表的内核映像所在的路径。

          -K:不显示属于内核或模块的符号。

          -U:不显示属于用户态程序的符号。

          -d :界面的刷新周期,默认为2s,因为perf top默认每2s从mmap的内存区域读取一次性能数据。

         -G:得到函数的调用关系图。

         perf top -G [fractal],路径概率为相对值,加起来为100%,调用顺序为从下往上。

         perf top -G graph,路径概率为绝对值,加起来为该函数的热度。

 

    (4) 使用例子

          # perf top // 默认配置

          # perf top -G // 得到调用关系图

          # perf top -e cycles // 指定性能事件

           # perf top -p 23015,32476 // 查看这两个进程的cpu cycles使用情况

          # perf top -s comm,pid,symbol // 显示调用symbol的进程名和进程号

           # perf top --comms nginx,top // 仅显示属于指定进程的符号

           # perf top --symbols kfree // 仅显示指定的符号
 

      注: Perf top需要root权限

2.4 perf-record

      收集采样信息,并将其记录在数据文件中。

      随后可以通过其它工具(perf-report)对数据文件进行分析,结果类似于perf-top的。

       Run a command and record its profile into perf.data.

       This command runs a command and gathers a performance counter profile from it, into perf.data,

       without displaying anything. This file can then be inspected later on, using perf report.

 

     (1) 常用参数

        -e:Select the PMU event.

        -a:System-wide collection from all CPUs.

         -p:Record events on existing process ID (comma separated list).

        -A:Append to the output file to do incremental profiling.

         -f:Overwrite existing data file.

         -o:Output file name.

        -g:Do call-graph (stack chain/backtrace) recording.

         -C:Collect samples only on the list of CPUs provided.

 

    (2) 使用例子

        记录nginx进程的性能数据:

         # perf record -p `pgrep -d ',' nginx`

        记录执行ls时的性能数据:

        # perf record ls -g

         记录执行ls时的系统调用,可以知道哪些系统调用最频繁:

          # perf record -e syscalls:sys_enter ls
 

2.5 perf-report

     读取perf record创建的数据文件,并给出热点分析结果。

      Read perf.data (created by perf record) and display the profile.

      This command displays the performance counter profile information recorded via perf record.

     (1) 常用参数

           -i:Input file name. (default: perf.data)

     (2) 使用例子

          # perf report -i perf.data.2
 

3、性能火焰图

      火焰图项目地址:git clone https://github.com/brendangregg/FlameGraph.git

    首先用 perf script 工具对 perf.data 进行解析:

        # 生成折叠后的调用栈, 将解析出来的信息存下来, 供生成火焰图
        perf script -i perf.data &> perf.unfold

   在用 stackcollapse-perf.pl 将 perf 解析出的内容 perf.unfold 中的符号进行折叠 :

        # 生成火焰图
        ./stackcollapse-perf.pl perf.unfold &> perf.folded

    最后生成 svg 图:

        ./flamegraph.pl perf.folded > perf.svg

    我们可以使用管道将上面的流程简化为一条命令

       perf script | FlameGraph/stackcollapse-perf.pl | FlameGraph/flamegraph.pl > process.svg
 

 

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