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1. 什么是 Perf

Perf is a profiler tool for Linux 2.6+ based systems that abstracts away CPU hardware differences in Linux performance measurements and presents a simple commandline interface. Perf is based on the perf_events interface exported by recent versions of the Linux kernel.

The perf tool offers a rich set of commands to collect and analyze performance and trace data.

usage: perf [--version] [--help] COMMAND [ARGS]

The most commonly used perf commands are:
  annotate        Read perf.data (created by perf record) and display annotated code
  archive         Create archive with object files with build-ids found in perf.data file
  bench           General framework for benchmark suites
  buildid-cache   Manage build-id cache.
  buildid-list    List the buildids in a perf.data file
  diff            Read two perf.data files and display the differential profile
  evlist          List the event names in a perf.data file
  inject          Filter to augment the events stream with additional information
  kmem            Tool to trace/measure kernel memory(slab) properties
  kvm             Tool to trace/measure kvm guest os
  list            List all symbolic event types
  lock            Analyze lock events
  record          Run a command and record its profile into perf.data
  report          Read perf.data (created by perf record) and display the profile
  sched           Tool to trace/measure scheduler properties (latencies)
  script          Read perf.data (created by perf record) and display trace output
  stat            Run a command and gather performance counter statistics
  test            Runs sanity tests.
  timechart       Tool to visualize total system behavior during a workload
  top             System profiling tool.
  trace           strace inspired tool
  probe           Define new dynamic tracepoints

See 'perf help COMMAND' for more information on a specific command.

2. Perf 的功能

评估程序对硬件资源的使用情况: 各级 Cache 访问次数、各级 Cache 丢失次数、流水线停顿周期、前端总线访问次数 … …
评估程序对操作系统资源的使用情况: 系统调用次数、Page Fault 次数、上下文切换次数、任务迁移次数 … …
评估内核性能: Benchmarks、调度器性能分析、系统行为记录与重演动态添加探测点 … …

2.1 Perf list

功能: 查看当前软硬件环境、支持的性能事件。

查看所有分类事件的个数: perf list | awk -F: '/Tracepoint event/ { lib[$1]++ } END { for (l in lib) { printf " %-16s %d\n", l, lib[l] } }' | sort | column

These include:

block: block device I/O
ext3, ext4: file system operations
kmem: kernel memory allocation events
random: kernel random number generator events
sched: CPU scheduler events
syscalls: system call enter and exits
task: task events

性能事件分三类:

硬件性能事件
软件性能事件
tracepoint event

2.2 Perf stat

功能: 分析程序的整体性能.

示例:

perf stat -e task-clock ./a.out # 分析 task-clock 事件
perf stat -p 31317 # 分析 31317 进程
perf stat -t 31318 # 分析 31318 线程
perf stat -r 5 ./a.out # 分析 5 次就停止
perf stat -d ./a.out # 全面分析

2.3 Perf top

功能: 实时显示系统/进程的性能统计信息。

使用方法: perf top <options> 分析界面之后 ? 可以查看快捷键。有用的是 a，即: "annotate current symbol", 可以看到具体的指令。

示例:

perf top -a -p 31317 # 分析整个 31317 进程的性能
perf top -n -p 31317 # 显示事件数量
perf top --show-total-period -p 31317 # 累计事件个数
perf top -G

top 界面解释:

第一列: 性能事件在整个检测域中占的比例，符号的热度
第二列: 符号所在 DSO(Dynamic Shared Object)
第三列: DSO 类型(ELF可执行文件，动态链接库，内核，内核模块，VDSO 等)
第四列: 符号名(函数名)

2.4 Perf record/report

功能:

record: 记录一段时间内系统/进程的性能事件，生成 perf.data 文件
report: 读取 perf.data 文件，并显示分析数据

使用: perf record [<options>] [<command>]

示例:

perf record -g -p 31655  # 记录一段时间的 zone_server 性能事件
perf report           # 得到分析结果
perf report -n        # 显示对应时间的调用次数
perf report -v        # 显示每个符号的地址
perf report -g flat,5%    #
perf report -g graph,5%   #
perf report -g fractal,5% #

2.5 Perf timechart

功能: 将系统的运行状态以 SVG 图的形式输出。

各处理器状态(run, idle)
各进程的时间图谱(run, sleep, blocked ...)

示例:

perf timechart record -p 31655

2.6 Perf script

功能: 查看 perf 数据文件 (perf.data)

示例:

perf script -l # 查看当前系统中可扩展脚本
perf script syscall-count # 查看系统调用被调度次数
perf script sctop # 实时查看各个系统调用被调用的次数

2.7 Perf kmem

功能: 针对内存子系统的分析工具。也可以用 perf record -e kmem:* -p 630 来统计内存分配、释放。

2.8 内核 tracepoint

暂无.

3. 一些术语

PMU -- Performance Monitoring Unit，性能检测单元。

Tracepoints -- Tracepoint 是散落在内核源代码中的一些 hook，一旦使用，它们便可以在特定的代码被运行到时被触发，这一特性可以被各种 trace/debug 工具所使用。

page-fault -- Linux的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、请求的页面虽然在内存中，但尚未建立物理地址与虚拟地址的映射关系时，都会触发一次缺页异常(page-fault)。

task-clock -- 应用程序真正占用处理器的时间，单位是毫秒。任务执行时间。Linux是多任务分时操作系统中，一个任务不太可能在执行期间始终占据处理器。操作系统会根据调度策略合理安排各个任务轮流使用处理器，每次调度会产生一次上下文切换。

cycle -- 程序消耗的处理器周期数。

instructions -- 程序执行期间产生的处理器指令数。

branches -- 程序在执行期间遇到的分支指令数。绝大多数现在处理器都具有分支预测与OOO (Out-of-Order)执行机制，以充分利用 CPU 内部的资源，减少流水线停顿周期。当处理器遇到分支指令时，正常来说，需要等待分支条件计算完毕才能知道后续指令该往何处跳转。这就导致了在等待分支条件计算期间，流水线上出现若干周期的停顿(流水线Hazard)。