从2.6.31内核开始,linux内核自带了一个性能分析工具perf,能够进行函数级与指令级的热点查找。

Perf 是用来进行软件性能分析的工具。

通过它,应用程序可以利用 PMU,tracepoint 和内核中的特殊计数器来进行性能统计。它不但可以分析指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,当然也可以同时分析应用代码和内核,从而全面理解应用程序中的性能瓶颈。

最初的时候,它叫做 Performance counter,在 2.6.31 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

从2.6.31内核开始,linux内核自带了一个性能分析工具perf,能够进行函数级与指令级的热点查找。

 

perf

 

Performance analysis tools for Linux.

Performance counters for Linux are a new kernel-based subsystem that provide a framework for all things

performance analysis. It covers hardware level (CPU/PMU, Performance Monitoring Unit) features and

software features (software counters, tracepoints) as well.

 

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。

 

CPU周期(cpu-cycles)是默认的性能事件,所谓的CPU周期是指CPU所能识别的最小时间单元,通常为亿分之几秒,

是CPU执行最简单的指令时所需要的时间,例如读取寄存器中的内容,也叫做clock tick。

 

Perf是一个包含22种子工具的工具集,以下是最常用的5种:

perf-list

perf-stat

perf-top

perf-record

perf-report

 

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

 

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

 

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

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 

 

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

 

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

 

More

 

除了以上5个常用工具外,还有一些适用于较特殊场景的工具, 比如内核锁、slab分配器、调度器,

也支持自定义探测点。

 

perf-lock

 

内核锁的性能分析。

Analyze lock events.

perf lock {record | report | script | info}

 

需要编译选项的支持: CONFIG_LOCKDEP、CONFIG_LOCK_STAT。

CONFIG_LOCKDEP defines acquired and release events.

CONFIG_LOCK_STAT defines contended and acquired lock events.

 

(1) 常用选项

-i : 输入文件

-k : sorting key,默认为acquired,还可以按contended、wait_total、wait_max和wait_min来排序。

 

(2) 使用例子

perf lock record ls // 记录

perf lock report // 报告

 

(3) 输出格式

            Name   acquired  contended total wait (ns)   max wait (ns)   min wait (ns) 

&mm->page_table_… 382 0 0 0 0

&mm->page_table_… 72 0 0 0 0

&fs->lock 64 0 0 0 0

dcache_lock 62 0 0 0 0

vfsmount_lock 43 0 0 0 0

&newf->file_lock… 41 0 0 0 0

 

Name: 内核锁的名字。

aquired: 该锁被直接获得的次数,因为没有其它内核路径占用该锁,此时不用等待。

contended: 该锁等待后获得的次数,此时被其它内核路径占用,需要等待。

total wait: 为了获得该锁,总共的等待时间。

max wait: 为了获得该锁,最大的等待时间。

min wait: 为了获得该锁,最小的等待时间。

最后还有一个Summary:

=== output for debug===

bad: 10, total: 246

bad rate: 4.065041 %

histogram of events caused bad sequence

acquire: 0

acquired: 0

contended: 0

release: 10

 

perf-kmem

 

slab分配器的性能分析。

Tool to trace/measure kernel memory(slab) properties.

perf kmem {record | stat} []

 

(1) 常用选项

-i : 输入文件

-caller: show per-callsite statistics,显示内核中调用kmalloc和kfree的地方。

-alloc: show per-allocation statistics,显示分配的内存地址。

-l : print n lines only,只显示num行。

-s <key[,key2…]>: sort the output (default: frag,hit,bytes)

 

(2) 使用例子

perf kmem record ls // 记录

perf kmem stat -caller -alloc -l 20 // 报告

 

(3) 输出格式


Callsite | Total_alloc/Per | Total_req/Per | Hit | Ping-pong | Frag

perf_event_mmap+ec | 311296/8192 | 155952/4104 | 38 | 0 | 49.902%

proc_reg_open+41 | 64/64 | 40/40 | 1 | 0 | 37.500%

__kmalloc_node+4d | 1024/1024 | 664/664 | 1 | 0 | 35.156%

ext3_readdir+5bd | 64/64 | 48/48 | 1 | 0 | 25.000%

load_elf_binary+8ec | 512/512 | 392/392 | 1 | 0 | 23.438%

Callsite: 内核代码中调用kmalloc和kfree的地方。

Total_alloc/Per: 总共分配的内存大小,平均每次分配的内存大小。

Total_req/Per: 总共请求的内存大小,平均每次请求的内存大小。

Hit: 调用的次数。

Ping-pong: kmalloc和kfree不被同一个CPU执行时的次数,这会导致cache效率降低。

Frag: 碎片所占的百分比,碎片 = 分配的内存 - 请求的内存,这部分是浪费的。

有使用-alloc选项,还会看到Alloc Ptr,即所分配内存的地址。

最后还有一个Summary:

SUMMARY

Total bytes requested: 290544

Total bytes allocated: 447016

Total bytes wasted on internal fragmentation: 156472

Internal fragmentation: 35.003669%

Cross CPU allocations: 2/509

 

probe-sched

 

调度模块分析。

trace/measure scheduler properties (latencies)

perf sched {record | latency | map | replay | script}

 

(1) 使用例子 

perf sched record sleep 10 // perf sched record

perf report latency -sort max

 

(2) 输出格式


Task | Runtime ms | Switches | Average delay ms | Maximum delay ms | Maximum delay at |


events/10:61 | 0.655 ms | 10 | avg: 0.045 ms | max: 0.161 ms | max at: 9804.958730 s

sleep:11156 | 2.263 ms | 4 | avg: 0.052 ms | max: 0.118 ms | max at: 9804.865552 s

edac-poller:1125 | 0.598 ms | 10 | avg: 0.042 ms | max: 0.113 ms | max at: 9804.958698 s

events/2:53 | 0.676 ms | 10 | avg: 0.037 ms | max: 0.102 ms | max at: 9814.751605 s

perf:11155 | 2.109 ms | 1 | avg: 0.068 ms | max: 0.068 ms | max at: 9814.867918 s

TASK: 进程名和pid。

Runtime: 实际的运行时间。

Switches: 进程切换的次数。

Average delay: 平均的调度延迟。

Maximum delay: 最大的调度延迟。

Maximum delay at: 最大调度延迟发生的时刻。

 

perf-probe

 

可以自定义探测点。

Define new dynamic tracepoints.

 

使用例子

(1) Display which lines in schedule() can be probed

perf probe -line schedule

前面有行号的可以探测,没有行号的就不行了。

 

(2) Add a probe on schedule() function 12th line.

perf probe -a schedule:12

在schedule函数的12处增加一个探测点。

 

Reference

 

[1]. Linux的系统级性能剖析工具系列,by 承刚

[2]. http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-perf1/

[3]. http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-perf2/

[4]. https://perf.wiki.kernel.org/index.php/Tutorial

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https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-perf1/index.html

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