性能分析工具---Perf简介汇总整理

生命的火焰才是真理...



什么是Perf

Perf在wiki中的定义：Linux profiling with performance counters，其实Perf的强大远强于counters这一定义。



Perf是内置于Linux内核源码树中的性能剖析(profiling)工具。它基于事件采样原理，以性能事件为基础，支持针对处理器相关性能指标与操作系统相关性能指标的性能剖析，常用于性能瓶颈的查找与热点代码的定位。



最初的时候，它叫做Performance counter，在2.6.31内核版本中第一次亮相。此后他成为内核开发最为活跃的一个领域。在2.6.32中它正式改名为Performance Event，因为perf已不再仅仅作为 PMU 的抽象，而是能够处理所有的性能相关的事件。



Perf是一个工具集，可以通过perf --help来查看所有的参数和命令，其中最常用的有如下五个：perf-list、perf-stat、perf-top、perf-record、perf-report。下面就详细说明一下这五个命令的使用技巧和背景。

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。通过 perf list --help可以查看perf list的可用参数。

其中性能事件的包括：Hardware event、Software event、Hardware cache event、tracepoint：Tracepoint event。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，是内核中的静态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。

perf-stat

用于分析指定程序的性能概况。举个例子：执行perf stat php call_test.php得到的结果如下所示：

有一些显示的not supported，可能是因为我是虚拟机，某些检测能力没有开启。不过这并不重要，我来罗列一下所有字段的含义：

task-clock：任务真正占用的处理器时间，单位为ms。

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。

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。

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。



下面介绍几个使用例子：

perf stat -r 10 ls > /dev/null 执行10次程序，给出标准偏差与期望的比值

perf stat -v ls > /dev/null 显示更详细的信息

perf stat -n ls > /dev/null 只显示任务执行时间，不显示性能计数器

perf stat -a -A ls > /dev/null 单独给出每个CPU上的信息

perf stat -e syscalls:sys_enter ls ls命令执行了多少次系统调用

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。perf top类似linux的top命令，可以排列展示当机的函数和指令消耗情况。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。效果如下：

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。

perf top也可以针对一个特定进程进行监控，用-p的参数来标记PID即可。



常用的使用方式有：

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 pid //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

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。



基本的使用方法：

perf record xxx //执行命令即可

perf record -p pid //针对特定进程

perf-report

perf report是读取perf record的数据来做分析，并给出热点分析结果。

基本使用方法：perf report -i perf.data



下面结合perf record和perf report我们来做一下实例演示。

执行perf record命令对PHP的一个脚本进行监控，得到一个perf.data数据文件。然后执行perf report -i perf.data就可以得到数据视图。

就视图的展示方式而言，很类似perf top，但对会命令和函数给出耗时的占比，还可以细化到汇编语言查看耗时原因。

perf的火焰图

perf的数据可以进一步被加工为火焰图，这需要其他工具的支持，据我看到不少人介绍到了flameGap这个开源项目(https://github.com/brendangregg/FlameGraph.git)，里面有很多的perl脚本。大概是长这个样子。

通过如下命令：

perf record -g ls

perf script -i perf.data &> perf.unfold

./stackcollapse-perf.pl perf.unfold &>perf.folded

./stackcollapse-perf.pl perf.unfold >perf.svg

就可以得到截图中的perf.svg矢量图片了。下载下来打开大概是这个样子：

是不是瞬间觉着有种叼炸天的感觉？



备注：参考资料备注在原文链接中

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