perf - linux系统级性能分析工具的介绍与使用

测试环境：Ubuntu16.04 + Kernel：4.4.0-31

系统级性能优化通常包括两个阶段：性能剖析（performance profiling）和代码优化。

性能剖析的目标是寻找性能瓶颈，查找引发性能问题的原因及热点代码。

代码优化的目标是针对具体性能问题而优化代码或编译选项，以改善软件性能。

在性能剖析阶段，需要借助于现有的profiling工具，如perf等。在代码优化阶段往往需要借助开发者的经验，编写简洁高效的代码，甚至在汇编级别合理使用各种指令，合理安排各种指令的执行顺序。

perf是一款Linux性能分析工具。Linux性能计数器是一个新的基于内核的子系统，它提供一个性能分析框架，比如硬件（CPU、PMU(Performance Monitoring Unit)）功能和软件(软件计数器、tracepoint)功能。
通过perf，应用程序可以利用PMU、tracepoint和内核中的计数器来进行性能统计。它不但可以分析制定应用程序的性能问题（per thread），也可以用来分析内核的性能问题，当然也可以同事分析应用程序和内核，从而全面理解应用程序中的性能瓶颈。

使用perf，可以分析程序运行期间发生的硬件事件，比如instructions retired、processor clock cycles等；也可以分析软件时间，比如page fault和进程切换。

perf是一款综合性分析工具，大到系统全局性性能，再小到进程线程级别，甚至到函数及汇编级别。

perf提供了十八般武器，可以拿大刀大卸八块，也可以拿起手术刀细致分析。

1. 背景知识

1.1 tracepoints

tracepoints是散落在内核源码中的一些hook，它们可以在特定的代码被执行到时触发，这一特定可以被各种trace/debug工具所使用。

perf将tracepoint产生的时间记录下来，生成报告，通过分析这些报告，条有人缘便可以了解程序运行期间内核的各种细节，对性能症状做出准确的诊断。

这些tracepint的对应的sysfs节点在/sys/kernel/debug/tracing/events目录下。

1.2 硬件特性之cache

内存读写是很快的，但是还是无法和处理器指令执行速度相比。为了从内存中读取指令和数据，处理器需要等待，用处理器时间来衡量，这种等待非常漫长。cache是一种SRAM，读写速度非常快，能和处理器相匹配。因此将常用的数据保存在cache中，处理器便无需等待，从而提高性能。cache的尺寸一般都很小，充分利用cache是软件调优非常重要部分。

2. 主要关注点

基于性能分析，可以进行算法优化（空间复杂度和时间复杂度权衡）、代码优化（提高执行速度、减少内存占用）。

评估程序对硬件资源的使用情况，例如各级cache的访问次数、各级cache的丢失次数、流水线停顿周期、前端总线访问次数等。

评估程序对操作系统资源的使用情况，系统调用次数、上下文切换次数、任务迁移次数。

事件可以分为三种：

1. Hardware Event由PMU部件产生，在特定的条件下探测性能事件是否发生以及发生的次数。比如cache命中。
2. Software Event是内核产生的事件，分布在各个功能模块中，统计和操作系统相关性能事件。比如进程切换，tick数等。

3. Tracepoint Event是内核中静态tracepoint所触发的事件，这些tracepoint用来判断程序运行期间内核的行为细节，比如slab分配器的分配次数等。

3. perf的使用

perf --help之后可以看到perf的二级命令。

序号	命令	作用
1	annotate	解析perf record生成的perf.data文件，显示被注释的代码。
2	archive	根据数据文件记录的build-id，将所有被采样到的elf文件打包。利用此压缩包，可以再任何机器上分析数据文件中记录的采样数据。
3	bench	perf中内置的benchmark，目前包括两套针对调度器和内存管理子系统的benchmark。
4	buildid-cache	管理perf的buildid缓存，每个elf文件都有一个独一无二的buildid。buildid被perf用来关联性能数据与elf文件。
5	buildid-list	列出数据文件中记录的所有buildid。
6	diff	对比两个数据文件的差异。能够给出每个符号（函数）在热点分析上的具体差异。
7	evlist	列出数据文件perf.data中所有性能事件。
8	inject	该工具读取perf record工具记录的事件流，并将其定向到标准输出。在被分析代码中的任何一点，都可以向事件流中注入其它事件。
9	kmem	针对内核内存（slab）子系统进行追踪测量的工具
10	kvm	用来追踪测试运行在KVM虚拟机上的Guest OS。
11	list	列出当前系统支持的所有性能事件。包括硬件性能事件、软件性能事件以及检查点。
12	lock	分析内核中的锁信息，包括锁的争用情况，等待延迟等。
13	mem	内存存取情况
14	record	收集采样信息，并将其记录在数据文件中。随后可通过其它工具对数据文件进行分析。
15	report	读取perf record创建的数据文件，并给出热点分析结果。
16	sched	针对调度器子系统的分析工具。
17	script	执行perl或python写的功能扩展脚本、生成脚本框架、读取数据文件中的数据信息等。
18	stat	执行某个命令，收集特定进程的性能概况，包括CPI、Cache丢失率等。
19	test	perf对当前软硬件平台进行健全性测试，可用此工具测试当前的软硬件平台是否能支持perf的所有功能。
20	timechart	针对测试期间系统行为进行可视化的工具
21	top	类似于linux的top命令，对系统性能进行实时分析。
22	trace	关于syscall的工具。
23	probe	用于定义动态检查点。

全局性概况：

perf list查看当前系统支持的性能事件；

perf bench对系统性能进行摸底；

perf test对系统进行健全性测试；

perf stat对全局性能进行统计；

全局细节：

perf top可以实时查看当前系统进程函数占用率情况；

perf probe可以自定义动态事件；

特定功能分析：

perf kmem针对slab子系统性能分析；

perf kvm针对kvm虚拟化分析；

perf lock分析锁性能；

perf mem分析内存slab性能；

perf sched分析内核调度器性能；

perf trace记录系统调用轨迹；

最常用功能perf record，可以系统全局，也可以具体到某个进程，更甚具体到某一进程某一事件；可宏观，也可以很微观。

pref record记录信息到perf.data；

perf report生成报告；

perf diff对两个记录进行diff；

perf evlist列出记录的性能事件；

perf annotate显示perf.data函数代码；

perf archive将相关符号打包，方便在其它机器进行分析；

perf script将perf.data输出可读性文本；

可视化工具perf timechart

perf timechart record记录事件；

perf timechart生成output.svg文档；

3.0 perf引入的overhead

perf测试不可避免的会引入额外负荷，有三种形式：

counting：内核提供计数总结，多是Hardware Event、Software Events、PMU计数等。相关命令perf stat。

sampling：perf将事件数据缓存到一块buffer中，然后异步写入到perf.data文件中。使用perf report等工具进行离线分析。

bpf：Kernel 4.4+新增功能，可以提供更多有效filter和输出总结。

counting引入的额外负荷最小；sampling在某些情况下会引入非常大的负荷；bpf可以有效缩减负荷。

针对sampling，可以通过挂在建立在RAM上的文件系统来有效降低读写I/O引入的负荷。

mkdir /tmpfs

mount -t tmpfs tmpfs /tmpfs

3.1 perf list

perf list不能完全显示所有支持的事件类型，需要sudo perf list。

同时还可以显示特定模块支持的perf事件：hw/cache/pmu都是硬件相关的；tracepoint基于内核的ftrace；sw实际上是内核计数器。

hw/hardware显示支持的硬件事件相关，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显示支持的软件事件列表：

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显示硬件cache相关事件列表：

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显示支持的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显示支持的所有tracepoint列表，这个列表就比较庞大：

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

默认情况下perf top是无法显示信息的，需要sudo perf top或者echo -1 > /proc/sys/kernel/perf_event_paranoid(在Ubuntu16.04，还需要echo 0 > /proc/sys/kernel/kptr_restrict)。

即可以正常显示perf top如下：

第一列：符号引发的性能事件的比例，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。

关于perf top界面常用命令如下：

h：显示帮助，即可显示详细的帮助信息。

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。

perf top常用选项有：

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

 

3.3 perf stat

perf stat用于运行指令，并分析其统计结果。虽然perf top也可以指定pid，但是必须先启动应用才能查看信息。

perf stat能完整统计应用整个生命周期的信息。

命令格式为：

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

下面简单看一下perf stat 的输出：

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

输出解释如下：

cpu-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：程序在运行过程中上下文的切换次数。

CPU-migrations：程序在运行过程中发生的处理器迁移次数。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。

CPU迁移和上下文切换：发生上下文切换不一定会发生CPU迁移，而发生CPU迁移时肯定会发生上下文切换。发生上下文切换有可能只是把上下文从当前CPU中换出，下一次调度器还是将进程安排在这个CPU上执行。

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：指令读取或解码的质量步骤，未能按理想状态发挥并行左右，发生停滞的时钟周期。

stalled-cycles-backend：指令执行步骤，发生停滞的时钟周期。

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。

其他常用参数

    -a, --all-cpus        显示所有CPU上的统计信息
    -C, --cpu        显示指定CPU的统计信息
    -c, --scale           scale/normalize counters
    -D, --delay        ms to wait before starting measurement after program start
    -d, --detailed        detailed run - start a lot of events
    -e, --event    event selector. use 'perf list' to list available events
    -G, --cgroup    monitor event in cgroup name only
    -g, --group           put the counters into a counter group
    -I, --interval-print
                          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    输出统计信息到文件
    -p, --pid        stat events on existing process id
    -r, --repeat       repeat command and print average + stddev (max: 100, forever: 0)
    -S, --sync            call sync() before starting a run
    -t, --tid        stat events on existing thread id
...

示例

前面统计程序的示例，下面看一下统计CPU信息的示例：

执行sudo perf stat -C 0，统计CPU 0的信息。想要停止后，按下Ctrl+C终止。可以看到统计项一样，只是统计对象变了。

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

如果需要统计更多的项，需要使用-e，如：

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

结果如下，关注的特殊项也纳入统计。

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
            branches                                                   
            branch-misses                                              
            L1-dcache-loads                                            
            L1-dcache-load-misses                                      
            LLC-loads                                                  
            LLC-load-misses                                            
            dTLB-loads                                                 
            dTLB-load-misses                                           

       0.003227507 seconds time elapsed

3.4 perf bench

perf bench作为benchmark工具的通用框架，包含sched/mem/numa/futex等子系统，all可以指定所有。

perf bench可用于评估系统sched/mem等特定性能。

perf bench sched：调度器和IPC机制。包含messaging和pipe两个功能。

perf bench mem：内存存取性能。包含memcpy和memset两个功能。

perf bench numa：NUMA架构的调度和内存处理性能。包含mem功能。

perf bench futex：futex压力测试。包含hash/wake/wake-parallel/requeue/lock-pi功能。

perf bench all：所有bench测试的集合

3.4.1 perf bench sched all

测试messaging和pipi两部分性能。

3.4.1.1 sched messaging评估进程调度和核间通信

sched message 是从经典的测试程序 hackbench 移植而来，用来衡量调度器的性能，overhead 以及可扩展性。

该 benchmark 启动 N 个 reader/sender 进程或线程对，通过 IPC(socket 或者 pipe) 进行并发的读写。一般人们将 N 不断加大来衡量调度器的可扩展性。

sched message 的用法及用途和 hackbench 一样，可以通过修改参数进行不同目的测试：

-g, --group Specify number of groups

-l, --nr_loops 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

测试结果：

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()对测试影响：

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]

可见socketpair()性能要明显低于pipe()。

3.4.1.2 sched pipe评估pipe性能

sched pipe 从 Ingo Molnar 的 pipe-test-1m.c 移植而来。当初 Ingo 的原始程序是为了测试不同的调度器的性能和公平性的。

其工作原理很简单，两个进程互相通过 pipe 拼命地发 1000000 个整数，进程 A 发给 B，同时 B 发给 A。因为 A 和 B 互相依赖，因此假如调度器不公平，对 A 比 B 好，那么 A 和 B 整体所需要的时间就会更长。

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

该测试衡量 不同版本的memcpy/memset/ 函数处理一个 1M 数据的所花费的时间，转换成吞吐率。

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是一种用户态和内核态混合机制，所以需要两个部分合作完成，linux上提供了sys_futex系统调用，对进程竞争情况下的同步处理提供支持。

所有的futex同步操作都应该从用户空间开始，首先创建一个futex同步变量，也就是位于共享内存的一个整型计数器。

当进程尝试持有锁或者要进入互斥区的时候，对futex执行"down"操作，即原子性的给futex同步变量减1。如果同步变量变为0，则没有竞争发生， 进程照常执行。

如果同步变量是个负数，则意味着有竞争发生，需要调用futex系统调用的futex_wait操作休眠当前进程。

当进程释放锁或 者要离开互斥区的时候，对futex进行"up"操作，即原子性的给futex同步变量加1。如果同步变量由0变成1，则没有竞争发生，进程照常执行。

如果加之前同步变量是负数，则意味着有竞争发生，需要调用futex系统调用的futex_wake操作唤醒一个或者多个等待进程。

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

运行一个命令，并将其数据保存到perf.data中。随后，可以使用perf report进行分析。

perf record和perf report可以更精确的分析一个应用，perf record可以精确到函数级别。并且在函数里面混合显示汇编语言和代码。

创建一个fork.c文件用于测试：

#include 

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;
}

编译fork.c文件gcc fork.c -o fork-g -O0，同时可以使用此方法分析是否选择编译优化产生的结果。-g是只能callgraph功能，-O0是关闭优化。

常用选项

-e record指定PMU事件
    --filter  event事件过滤器
-a  录取所有CPU的事件
-p  录取指定pid进程的事件
-o  指定录取保存数据的文件名
-g  使能函数调用图功能
-C 录取指定CPU的事件

sudo perf record -a -g ./fork：会在当前目录生成perf.data文件。

sudo perf report --call-graph none结果如下,后面结合perf timechart分析.

上图看上去比较乱，如果想只看fork产生的信息：

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

可以看出只显示了fork程序的相关符号及其占用率。

3.5 perf report

解析perf record产生的数据，并给出分析结果。

常用参数：

-i  导入的数据文件名称，如果没有则默认为perf.data

-g  生成函数调用关系图，此时内核要打开CONFIG_KALLSYMS；用户空间库或者执行文件需要带符号信息(not stripped)，编译选项需要加上-g。

--sort  从更高层面显示分类统计信息，比如： pid, comm, dso, symbol, parent, cpu,socket, srcline, weight, local_weight.

执行sudo perf report -i perf.data，可以看出main函数所占百分比，以及funcA和funcB分别所占百分比。

在funcB执行过程中，还产生了apic timer，占用了一部分cpu资源。除此之外，占比基本上是1：10。

funcA和funcB的占比，基本符合预期。那么进入longa，分析一下热点。

在C和汇编混合显示界面，可以看出for循环占用了69.92%，j=i赋值占用了30.08%。

根据之上描述，可以看出top适合监控整个系统的性能，stat比较适合单个程序的性能分析，record/report更适合对程序进行更细粒度的分析。

注意点：

在使用perf report -g的时候，可能会提示Failed to open /lib/libpthread-0.9.33.2.so, continuing without symbols。

这时候通过file xxx查看，如果提示xxxx stripped表示此文件不包含符号信息，需要xxxx not stripped文件。

3.6 perf timechart

perf timechart是将之前的各种统计信息图形化的一个工具。

perf timechart record 用于记录整个系统或者一个应用的事件，还可以加option记录指定类型的事件。

perf timechart用于将perf.data转换成SVG格式的文件，SVG可以通过Inkscape或者浏览器打开。

perf timechart record可以指定特定类型的事件：

-P：记录power相关事件

-T：记录任务相关事件

-I：记录io相关事件

-g：记录函数调用关系

perf timechart用于将perf timechart record录取的perf.data转换成output.svg。

-w调整输出的svg文件长度，可以查看更多细节。

-p可以指定只查看某些进程输出，使用方式：sudo perf timechart -p test1 -p thermald

-o 指定输出文件名

-i 指定待解析的文件名

-w 输出SVG文件宽度

-P 只显示power相关事件图标

-T , --tasks-only  显示task信息，不显示处理器信息

-p 显示指定进程名称或者PID显示

--symfs=  指定系统符号表路径

-t, --topology  根据拓扑结构对CPU进行分类

--highlight=  对运行超过特定时间的task高亮

当线程太多影响svg解析速度的时候，可以通过-p指定特定线程进行分析。如果需要几个线程，每个线程采用-p xxx。

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

结果如下，可以看到相关task的名称，开始时间/结束时间，每个时间点的状态（Running/Idle/Deeper Idle/Deepest Idle/Sleeping/Waiting for Cpu /Blocked on IO）。

3.6.1 结合perf timechart和perf report分析函数占比

由perf report可知test_little、test_medium、test_high、test_hi四个函数占比分别为3.84%、12.01%、22.99%、30.43%。

有代码可知如果以test_little为1单位，那么test_medium就为2单位，test_high为3单位，test_hi为4单位。

四个函数执行次数分别为2、4、4、4，所以四个函数每个单位对应CPU占比为：

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%

基本上符合预期。

记录IO事件，可以看到按应用分类的，Disk/Network/Sync/Poll/Error信息。以及每个应用数据吞吐量。

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

  

记录Power状态事件，可以看到不同之处在于Idle之类的状态里面还有细分C/C2更详细的显示Power状态。

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

  

3.7 perf script

用于读取perf record保存的裸trace数据。

使用方法：

       perf script []
       perf script [] record

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