Linux性能分析工具Perf

介绍

Perf全名是Performance Event，是在Linux 2.6.31以后内建的系统效能分析工具，依靠perf，应用程式可以利用PMU (Performance Monitoring Unit), tracepoint和核心内部的特殊计数器(counter)来进行统计，另外还能同时分析运行中的核心程式码，从而更全面了解应用程式中的效能瓶颈。

perf基本原理是对目标进行取样，纪录特定的条件下所侦测的事件是否发生以及发生的次数。例如根据tick中断进行取样，即在tick中断内触发取样点，在取样点里判断行程(process)当时的context。假如一个行程90%的时间都花费在函式foo()上，那么90%的取样点都应该落在函式foo()的上下文中。

Perf 可取样的事件非常多，可以分析：

• Hardware event，如cpu-cycles、instructions 、cache-misses、branch-misses
• Software event，如page-faults、context-switches
• Tracepoint event

知道了cpu-cycles、instructions 我们可以了解Instruction per cycle 是多少，进而判断程式码有没有好好利用CPU，cache-misses 可以晓得是否有善用Locality of reference ，branch-misses 多了是否导致严重的pipeline hazard ？另外Perf 还可以对函式进行采样，了解效能卡在哪边。

perf的基本原理

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。可用于性能瓶颈的查找与热点代码的定位。

我们先通过一个例子来看看 perf 究竟能干什么。程序[code1]是一个简单的 计算 pi 的计算密集型程序。很显然，[code1]的热点在函数 do_pi()中

#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <sys/types.h>
#include <linux/unistd.h>
int do_pi(){
double mypi,h,sum,x;
long long n,i;
n = 5000000;
h = 1.0 / n;
sum=0.0;
for (i = 1; i <= n; i+=1 ) {     x = h * (i ‐ 0.5);     sum += 4.0 / (1.0 + pow(x,2));
}
mypi = h * sum;
return 0;
}
int main()
{
printf("pid: %d\n", getpid());
sleep(8);
do_pi();
return 0;
}

运行[code1]后，根据程序显示的 pid 在命令行中执行：

$perf top ‐p $pid

该命令利用默认的性能事件”cycles”对[code1]进行热点分析。”cycles”是处理 器周期事件。这条命令能够分析出消耗处理器周期最多的代码，在处理器频率稳 定的前提下，我们可以认为 perf 给出热点代码的就是消耗时间最多的代码段。 执行上述命令后，Perf 会给出如下结果：

从图 上可以看到，在[code1]执行期间，函数 do_pi()消耗了 99.54%的 CPU 周期，是消耗处理器周期最多的热点代码。这跟我们预想的一样。

那么 perf 是怎么做到的呢？首先，perf 会通过系统调用 sys_perf_event_open 在内核中注册一个监测“cycles”事件的性能计数器。内核根据 perf 提供的信息在 PMU 上初始化一个硬件性能计数器（PMC: Performance Monitoring Counter）。PMC 随着 CPU 周期的增加而自动累加。在 PMC 溢出时，PMU 触发一个 PMI （Performance Monitoring Interrupt）中断。内核在 PMI 中断的处理函数中保存 PMC 的计数值，触发中断时的指令地址（Register IP：Instruction Pointer），当前 时间戳以及当前进程的 PID，TID，comm 等信息。我们把这些信息统称为一个采 样（sample）。内核会将收集到的 sample 放入用于跟用户空间通信的 Ring Buffer。 用户空间里的 perf 分析程序采用 mmap 机制从 ring buffer 中读入采样，并对其解 析。perf 根据 pid，comm 等信息可以找到对应的进程。根据 IP 与 ELF 文件中的 符号表可以查到触发 PMI 中断的指令所在的函数。为了能够使 perf 读到函数名， 我们的目标程序必须具备符号表。如果读者在 perf 的分析结果中只看到一串地 址，而没有对应的函数名时，通常是由于在编译时利用 strip 删除了 ELF 文件中 的符号表。建议读者在性能分析阶段，保留程序中的 symbol table，debug info 等信息。 根据上述的 perf 采样原理可以得知，perf 假设两次采样之间，即两次相邻 的 PMI 中断之间系统执行的是同一个进程的同一个函数。这种假设会带来一定 的误差，当读者感觉 perf 给出的结果不准时，不妨提高采样频率，perf 会给出更 加精确的结果

perf的功能概述

Perf 是一个包含 22 种子工具的工具集，功能很全面。表 1 给出了各个子 工具的功能描述。

某些需要特定内核支持的命令可能无法使用。如果想获得每个子命令的具体选项列表，只需输入命令名紧随其后 - h ：

perf stat -h

 usage: perf stat [<options>] [<command>]

    -e, --event <event>   event selector. use 'perf list' to list available events
    -i, --no-inherit      child tasks do not inherit counters
    -p, --pid <n>         stat events on existing process id
    -t, --tid <n>         stat events on existing thread id
    -a, --all-cpus        system-wide collection from all CPUs
    -c, --scale           scale/normalize counters
    -v, --verbose         be more verbose (show counter open errors, etc)
    -r, --repeat <n>      repeat command and print average + stddev (max: 100)
    -n, --null            null run - dont start any counters
    -B, --big-num         print large numbers with thousands' separators

perf list工具和性能事件

Perf工具支持一系列的可测量事件。这个工具和底层内核接口可以测量来自不同来源的事件。 例如，一些事件是纯粹的内核计数，在这种情况下的事件被称为软事件 ，例如：context-switches、minor-faults。

另一个事件来源是处理器本身和它的性能监视单元(PMU)。它提供了一个事件列表来测量微体系结构的事件，如周期数、失效的指令、一级缓存未命中等等。 这些事件被称为PMU硬件事件或简称为硬件事件。 它们因处理器类型和型号而异。

perf_events接口还提供了一组通用的的硬件事件名称。在每个处理器，这些事件被映射到一个CPU的真实事件，如果真实事件不存在则事件不能使用。可能会让人混淆，这些事件也被称为硬件事件或硬件缓存事件 。

最后，还有由内核ftrace基础实现的tracepoint事件。但只有2.6.3x和更新版本的内核才提供这些功能。

可以通过命令获得可支持的事件列表:

perf list

List of pre-defined events (to be used in -e):

 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]
 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-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]

 rNNN (see 'perf list --help' on how to encode it) [Raw hardware event descriptor]

 mem:<addr>[:access]                        [Hardware breakpoint]

 kvmmmu:kvm_mmu_pagetable_walk              [Tracepoint event]

 [...]

 sched:sched_stat_runtime                   [Tracepoint event]
 sched:sched_pi_setprio                     [Tracepoint event]
 syscalls:sys_enter_socket                  [Tracepoint event]
 syscalls:sys_exit_socket                   [Tracepoint event]

 [...]

一个事件可以有子事件(或掩码)。 在某些处理器上的某些事件，可以组合掩码，并在其中一个子事件发生时进行测量。最后，一个事件还可以有修饰符，也就是说，通过过滤器可以改变事件被计数的时间或方式。

软件事件实现方法

• OS为每个软件事件定义一个计数器（可以理解为一个内存变量）
• 这样定义的计数器实际上是无限的（OS可以自己随意定义，只要存储空间足够）
• 每个软件事件和计数器就是一一对应关系
• 每个软件事件发生时OS简单对分配的计数器累加

硬件事件实现方法

需要硬件性能计数器（PMC）支持

• 系统时钟和一个计数器（寄存器）构成一个简单cycle计数器

• 计数器和Cache连接计数Cache事件（访问、失效）

• 计数器和分支预测器连接计数分支预测事件

• 计数器一般是有限的通过配置寄存器控制和哪个部件连接计数

  引用自：https

  标签：stat,perf,性能,top,事件,Linux,event,Perf
  From： https://www.cnblogs.com/cuidexu/p/18326703