系统级性能分析工具perf的介绍与使用

时间：2017-01-04 21:59:06 阅读：1312 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

标签：运行使用性能优化 hive blank article 比较 c-store cache

测试环境：Ubuntu14.04 on VMWare

Kernel：3.13.0-32

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。

背景知识

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。

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。

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：

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。
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。
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。

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。

下面开始逐一分析。

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@ubuntu:~/common-use/example/perf-test$ perf list hardware
cpu-cycles OR cycles                               [Hardware event]
instructions                                       [Hardware event]
cache-references                                   [Hardware event]
cache-misses                                       [Hardware event]
branch-instructions OR branches                    [Hardware event]
branch-misses                                      [Hardware event]
stalled-cycles-frontend OR idle-cycles-frontend    [Hardware event]
stalled-cycles-backend OR idle-cycles-backend      [Hardware event]

sw/software显示支持的软件事件列表：

al@ubuntu:~/common-use/example/perf-test$ perf list sw
cpu-clock                                          [Software event]
task-clock                                         [Software event]
page-faults OR faults                              [Software event]
context-switches OR cs                             [Software event]
cpu-migrations OR migrations                       [Software event]
minor-faults                                       [Software event]
major-faults                                       [Software event]
alignment-faults                                   [Software event]
emulation-faults                                   [Software event]
dummy                                              [Software event]

cache/hwcache显示硬件cache相关事件列表：

al@ubuntu:~/common-use/example/perf-test$ perf list cache
L1-dcache-loads                                    [Hardware cache event]
L1-dcache-load-misses                              [Hardware cache event]
L1-dcache-stores                                   [Hardware cache event]
L1-dcache-prefetches                               [Hardware cache event]
L1-dcache-prefetch-misses                          [Hardware cache event]
L1-icache-loads                                    [Hardware cache event]
L1-icache-load-misses                              [Hardware cache event]
L1-icache-prefetches                               [Hardware cache event]
LLC-loads                                          [Hardware cache event]
LLC-load-misses                                    [Hardware cache event]
LLC-stores                                         [Hardware cache event]
dTLB-loads                                         [Hardware cache event]
dTLB-load-misses                                   [Hardware cache event]
iTLB-loads                                         [Hardware cache event]
iTLB-load-misses                                   [Hardware cache event]
branch-loads                                       [Hardware cache event]
branch-load-misses                                 [Hardware cache event]
node-loads                                         [Hardware cache event]
node-load-misses                                   [Hardware cache event]

pmu显示支持的PMU事件列表：

al@ubuntu:~/common-use/example/perf-test$ perf list pmu
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]

tracepoint显示支持的所有tracepoint列表，这个列表就比较庞大：

drm:drm_vblank_event                               [Tracepoint event]
drm:drm_vblank_event_queued                        [Tracepoint event]
drm:drm_vblank_event_delivered                     [Tracepoint event]
skb:kfree_skb                                      [Tracepoint event]
skb:consume_skb                                    [Tracepoint event]
skb:skb_copy_datagram_iovec                        [Tracepoint event]
net:net_dev_xmit                                   [Tracepoint event]
net:net_dev_queue                                  [Tracepoint event]
net:netif_receive_skb                              [Tracepoint event]
net:netif_rx                                       [Tracepoint event]
napi:napi_poll                                     [Tracepoint event]
…

perf top