Linux系统级性能分析工具perf的介绍与使用
Linux系统级性能分析工具perf的介绍与使用
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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。
- 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。
- 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。
- 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；
续。。。
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/
