perf学习-linux自带性能分析工具

目前在做性能分析的事情，之前没怎么接触perf，找了几篇文章梳理了一下，按照问题的形式记录在这里。

方便自己查看。

 

什么是perf?

linux性能调优工具，32内核以上自带的工具，软件性能分析。在2.6.31及后续版本的Linux内核里，安装perf非常的容易。

几乎能够处理所有与性能相关的事件。

什么是性能事件？

指在处理器或者操作系统中发生，可能影响到程序性能的硬件事件或者软件事情。

主要关注点在哪里？

算法优化（空间复杂度、时间复杂度）、代码优化（提到执行速度、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。

基本原理？

硬件的话采用PMC（performance monitoring unit）CPU的部件，在特定的条件下探测的性能事件是否发生以及发生的次数。

软件性能测试，内置于kernel，分布在各个功能模块中，统计和操作系统相关性能事件。

如何使用高精度的采样？

如果需要采用高精度的采样，需要在制定性能事情时，在事件后添加后缀“：p”或者“:pp”

0：无精度保证
1：采样指令好触发性能时间的指令偏差为常数（:p）
2：尽量保证偏差为0（:pp）
3：保证偏差必须为0(:ppp)

有哪些常用的命令？

1、perf list 列出所有能够触发perf采样点的事件（当前硬件环境支持的性能事件）

总体分为三类hardware（硬件产生）、software（内核软件产生）、tradepoint（内核中静态tracepoint触发事件）。

List of pre-defined events (to be used in -e):
  cpu-cycles OR cycles                               [Hardware event]处理器周期事件
  stalled-cycles-frontend OR idle-cycles-frontend    [Hardware event]
  stalled-cycles-backend OR idle-cycles-backend      [Hardware event]
  instructions                                       [Hardware event]
  cache-references                                   [Hardware event]
  cache-misses                                       [Hardware event]
  branch-instructions OR branches                    [Hardware event]
  branch-misses                                      [Hardware event]
  bus-cycles                                         [Hardware event]

  cpu-clock                                          [Software event]
  task-clock                                         [Software event]
  page-faults OR faults                              [Software event]
  minor-faults                                       [Software event]
  major-faults                                       [Software event]
  context-switches OR cs                             [Software event]
  cpu-migrations OR migrations                       [Software event]
  alignment-faults                                   [Software event]
  emulation-faults                                   [Software event]

  L1-dcache-loads                                    [Hardware cache event]
  L1-dcache-load-misses                              [Hardware cache event]
  L1-dcache-stores                                   [Hardware cache event]
  L1-dcache-store-misses                             [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]
  L1-icache-prefetch-misses                          [Hardware cache event]
  LLC-loads                                          [Hardware cache event]
  LLC-load-misses                                    [Hardware cache event]
  LLC-stores                                         [Hardware cache event]
  LLC-store-misses                                   [Hardware cache event]
  LLC-prefetches                                     [Hardware cache event]
  LLC-prefetch-misses                                [Hardware cache event]
  dTLB-loads                                         [Hardware cache event]
  dTLB-load-misses                                   [Hardware cache event]
  dTLB-stores                                        [Hardware cache event]
  dTLB-store-misses                                  [Hardware cache event]
  dTLB-prefetches                                    [Hardware cache event]
  dTLB-prefetch-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]

2、perf stat分析程序的整体性能

利用10个典型事件剖析了应用程序。

• task-clock：目标任务真真占用处理器的时间，单位是毫秒，我们称之为任务执行时间，

  后面是任务的处理器占用率（执行时间和持续时间的比值）

  持续时间值从任务提交到任务结束的总时间（总时间在stat结束之后会打印出来）。

• context-switches：上下文切换次数，前半部分是切换次数，后面是平均每秒发生次数（M是10的6次方）。

• cpu-migrations：处理器迁移，linux为了位置各个处理器的负载均衡，

  会在特定的条件下将某个任务从一个处理器迁往另外一个处理器，此时便是发生了一次处理器迁移。

• page-fault：缺页异常，linux内存管理子系统采用了分页机制，

  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在在内存中，

  但是尚未建立物理地址和虚拟地址的映射关系是，会触发一次缺页异常。

• cycles：任务消耗的处理器周期数

• instructions：任务执行期间产生的处理器指令数，IPC（instructions perf cycle）

  IPC是评价处理器与应用程序性能的重要指标。（很多指令需要多个处理周期才能执行完毕），

  IPC越大越好，说明程序充分利用了处理器的特征。

• branches：程序在执行期间遇到的分支指令数。

• branch-misses：预测错误的分支指令数

• cache-misses：cache时效的次数

• cache-references：cache的命中次数

常用的参数如下

-e,指定性能事件
-p,指定分析进程的PID
-t,指定待分析线程的TID
-r N，连续分析N次
-d,全面性能分析,采用更多的性能事件

一次分析后的结果如下:

Performance counter stats for process id '21787':

     42677.253367 task-clock                #    0.142 CPUs utilized
          587,906 context-switches          #    0.014 M/sec
           29,209 CPU-migrations            #    0.001 M/sec
              117 page-faults               #    0.000 M/sec
   82,341,400,508 cycles                    #    1.929 GHz                     [83.48%]
   61,262,984,952 stalled-cycles-frontend   #   74.40% frontend cycles idle    [83.28%]
   43,113,701,768 stalled-cycles-backend    #   52.36% backend  cycles idle    [66.72%]
   44,023,301,495 instructions              #    0.53  insns per cycle
                                            #    1.39  stalled cycles per insn [83.50%]
    8,137,448,528 branches                  #  190.674 M/sec                   [83.22%]
      430,957,756 branch-misses             #    5.30% of all branches         [83.34%]

    300.393753095 seconds time elapsed

3、perf top实时显示系统/进程的性能统计信息

默认性能事件“cycles CPU周期数”进行全系统的性能剖析

常见的参数如下：

-p：指定进程PID
-t：指定线程的TID
-a：分析整个系统的性能（默认）
-d：界面刷新周期，默认是2秒

结果输出中，比例是该符号引发的性能时间在整个监测域中占的比例，通常称为热度。

samples  pcnt function                                                                               DSO
_______ _____ ______________________________________________________________________________________ _________

  61.00 19.4% native_write_msr_safe                                                                  [kernel]
  18.00  5.7% JVM_InternString                                                                       libjvm.so
  17.00  5.4% find_busiest_group                                                                     [kernel]
  17.00  5.4% _spin_lock                                                                             [kernel]
  12.00  3.8% dev_hard_start_xmit                                                                    [kernel]
  11.00  3.5% tg_load_down                                                                           [kernel]
   9.00  2.9% futex_wake                                                                             [kernel]
   8.00  2.5% do_futex                                                                               [kernel]
   7.00  2.2% load_balance_fair                                                                      [kernel]
   7.00  2.2% weighted_cpuload                                                                       [kernel]
   7.00  2.2% update_cfs_shares                                                                      [kernel]
   7.00  2.2% JVM_LatestUserDefinedLoader                                                            libjvm.so
   6.00  1.9% update_cfs_load                                                                        [kernel]
   5.00  1.6% _ZN16SystemDictionary30resolve_instance_class_or_nullE12symbolHandle6HandleS1_P6Thread libjvm.so
   5.00  1.6% br_sysfs_delbr                                                                         [bridge]
   5.00  1.6% futex_wait 

4、perf  record/report记录一段时间内系统/进程的性能事件

默认在当前目录下生成数据文件：perf.data

report读取生成的perf.data文件，-i参数指定路径

了解perf，是性能分析的开始。

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