0. 简介

在遇到一些内存异常的时候，经常这部分的代码是很难去进行分析的，之前作者就专门写过两篇博客（Ubuntu环境下便于调试代码的工具、Valgrind对ROS程序的可视化分析）来介绍性能分析的问题，最近了解到Perf这个神器，这里也展开介绍一下如何使用Perf以及如何去画火焰图。

1. Perf 基础

1.1 Perf 简介

perf是Linux下的一款性能分析工具，能够进行函数级与指令级的热点查找。利用perf剖析程序性能时，需要指定当前测试的性能时间。性能事件是指在处理器或操作系统中发生的，可能影响到程序性能的硬件事件或软件事件

1.2 Perf的安装

ubuntu 18.04:

sudo apt install linux-tools-common linux-tools-4.15.0-106-generic linux-cloud-tools-4.15.0-106-generic

1.3 perf命令简要介绍
perf list

​​perf list​​​ 主要是用于列出有哪些可用的event，可以供 ​​perf top -e eventname​​​ 来分析。
​​​perf list [hw|sw|cache|tracepoint|pmu|event_glob]​​​,其中​​perf list hw​​ 可以列出 hard ware 的event, sw 是software的event, 其它类似。

hw/hardware显示支持的硬件事件相关，如： perf list hardware
sw/software显示支持的软件事件列表： perf list sw
cache/hwcache显示硬件cache相关事件列表： perf list cache
pmu显示支持的PMU事件列表： perf list pmu
tracepoint显示支持的所有tracepoint列表，这个列表就比较庞大： perf list tracepoint

$ perf list hw
$ 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]
$ perf list pmu
$ perf list event_glob

perf top

perf top的作用是实时显示系统/进程的性能统计信息,上面的 ​​perf list [hw|sw...]​​ 可以知道所有的 tracepoint events, 接下来我们就可以使用 ​​perf top -e tracepoint-event​​ 来专门获得指定的tracepoint的信息。其中常用的常用参数有

-e：指定性能事件
-a：显示在所有CPU上的性能统计信息
-C：显示在指定CPU上的性能统计信息
-p：指定进程PID
-t：指定线程TID
-K：隐藏内核统计信息
-U：隐藏用户空间的统计信息
-s：指定待解析的符号信息
‘‐G’ or‘‐‐call‐graph’ <output_type,min_percent,call_order>

  1. ​​perf top -e cpu-clock​​: 查看CPU的使用
  2. ​​perf top -p 28764​​​：查看对应PID的使用

    C++ 之 perf+火焰图分析与Debug_ubuntu
perf stat

启动应用程序并分析该程序完整生命周期的性能状况。虽然​​perf top​​​也可以指定pid，但是对于​​perf top​​​而言必须先启动应用才能查看信息。​​perf stat​​能够运行指令，并且能完整统计应用整个生命周期的信息。其中默认统计8种event在程序运行过程中的计数，如下所示。也可以使用-e选项来自定义使用的event。

​​task‐clock​​​事件表示目标任务真正占用处理器的时间，单位是毫秒。也称任务执行时间
​​​context-switches​​​是系统发生上下文切换的次数
​​​CPU-migrations​​​是任务从一个处理器迁往另外一个处理器的次数
​​​page-faults​​​是内核发生缺页的次数
​​​cycles​​​是程序消耗的处理器周期数
​​​instructions​​​是指命令执行期间产生的处理器指令数
​​​branches​​​是指程序在执行期间遇到的分支指令数。
​​​branch‐misses​​​是预测错误的分支指令数。
​​​XXX seconds time elapsed​​​系程序持续时间
任务执行时间/任务持续时间大于1，那可以肯定是多核引起的

$ sudo perf stat cp -r ~/test test.bak

 Performance counter stats for 'cp -r /home/test test.bak':

        268.941065      task-clock (msec)         #    0.688 CPUs utilized          
               764      context-switches          #    0.003 M/sec                  
                 0      cpu-migrations            #    0.000 K/sec                  
               158      page-faults               #    0.587 K/sec                  
   <not supported>      cycles                                                      
   <not supported>      instructions                                                
   <not supported>      branches                                                    
   <not supported>      branch-misses                                               

       0.390780362 seconds time elapsed

参数设置：

-e：选择性能事件
-i：禁止子任务继承父任务的性能计数器。
-r：重复执行 n 次目标程序，并给出性能指标在n 次执行中的变化范围。
-n：仅输出目标程序的执行时间，而不开启任何性能计数器。
-a：指定全部cpu
-C：指定某个cpu
-A：将给出每个处理器上相应的信息。
-p：指定待分析的进程id
-t：指定待分析的线程id

perf record&perf report

使用​​perf record​​​和​​perf report​​命令来进行更详细的分析：

​​perf stat​​​命令只能记录event发生的次数，​​perf record​​​在此基础之上可以记录event发生时详细的数据(比如IP、堆栈等等)。可以自定义需要记录的event，可以自定义记录数据的格式。
​​​perf record​​可以记录一段时间内系统/进程的性能时间，具体参数为：

-e：选择性能事件
-p：待分析进程的id
-t：待分析线程的id
-a：分析整个系统的性能
-C：只采集指定CPU数据
-c：事件的采样周期
-o：指定输出文件，默认为perf.data
-A：以append的方式写输出文件
-f：以OverWrite的方式写输出文件
-g：记录函数间的调用关系
-F：采样评率，采样频率建议在4000以内，避免造成太多开销

​​perf report​​​可以读取​​perf record​​生成的数据文件，并显示分析数据参数

-i：输入的数据文件
-v：显示每个符号的地址
-d ：只显示指定dos的符号
-C：只显示指定comm的信息（Comm. 触发事件的进程名）
-S：只考虑指定符号
-U：只显示已解析的符号
-g[type,min,order]：显示调用关系，具体等同于perf top命令中的-g
-c：只显示指定cpu采样信息
-M：以指定汇编指令风格显示 –source：以汇编和source的形式进行显示
-p：用指定正则表达式过滤调用函数

性能调优时，我们通常需要分析查找到程序百分比高的热点代码片段，这便需要使用 ​​perf record​​​ 记录单个函数级别的统计信息，并使用 ​​perf report​​ 来显示统计结果；

首先我们用以下命令模拟出CPU利用率暴涨的现象：

$ cat /dev/zero > /dev/null

然后我们看到 CPU 1 的 %system 飙升到95%：

$ sar -P ALL -u 2 2
  
08:21:16 PM     CPU     %user     %nice   %system   %iowait    %steal     %idle
08:21:18 PM     all      2.25      0.00     48.25      0.00      0.00     49.50
08:21:18 PM       0      0.50      0.00      1.00      0.00      0.00     98.51
08:21:18 PM       1      4.02      0.00     95.98      0.00      0.00      0.00

现在我们用 perf 工具采样：

$ perf record -a -e cycles -o cycle.perf -g sleep 10
[ perf record: Woken up 18 times to write data ]
[ perf record: Captured and wrote 4.953 MB cycle.perf (~216405 samples) ]

把采样的数据生成报告：

# perf report -i cycle.perf | more
  
...
# Samples: 40K of event 'cycles'
# Event count (approx.): 18491174032
#
# Overhead          Command                   Shared Object              Symbol
# ........  ...............  ..............................    ................
#
    75.65%              cat  [kernel.kallsyms]                 [k] __clear_user                     
                        |
                        --- __clear_user
                           |          
                           |--99.56%-- read_zero
                           |          vfs_read
                           |          sys_read
                           |          system_call_fastpath
                           |          __GI___libc_read
                            --0.44%-- [...]
  
     2.34%              cat  [kernel.kallsyms]                 [k] system_call                      
                        |
                        --- system_call
                           |          
                           |--56.72%-- __write_nocancel
                           |          
                            --43.28%-- __GI___libc_read
...

我们很清楚地看到，CPU利用率有75%来自 cat 进程 的 sys_read 系统调用，perf 甚至精确地告诉了我们是消耗在 read_zero 这个 kernel routine 上。

值得说明的是​​perf record​​​默认只使用了1种event ​​cpu-clock​​​，cpu-clock使用的是高精度定时器来进行定时采样。​​perf record​​默认数据输出文件为perf.data。

2. 火焰图

2.1 火焰图简介

火焰图（Flame Graph）是由Linux性能优化大师Brendan Gregg发明的，Flame Graph以一个全局的视野来看待时间分布，它从底部往顶部，列出所有可能的调用栈。其他的呈现方法，一般只能列出单一的调用栈或者非层次化的时间分布。

2.2 火焰图含义：

  1. y 轴表示调用栈, 每一层都是一个函数. 调用栈越深, 火焰就越高, 顶部就是正在执行的函数, 下方都是它的父函数.
  2. x 轴表示抽样数, 如果一个函数在 x 轴占据的宽度越宽, 就表示它被抽到的次数多, 即执行的时间长. 注意, x 轴不代表时间, 而是所有的调用栈合并后, 按字母顺序排列的。
  3. 火焰图就是看顶层的哪个函数占据的宽度最大. 只要有 “平顶”(plateaus), 就表示该函数可能存在性能问题。
  4. 颜色没有特殊含义, 因为火焰图表示的是 CPU 的繁忙程度, 所以一般选择暖色调.

2.3 火焰图安装

安装FlameGraph

wget https://github.com/brendangregg/FlameGraph/archive/master.zip
unzip master.zip
sudo mv FlameGraph-master/ /opt/FlameGraph

添加到bashrc环境变量

export PATH=$PATH:/opt/FlameGraph

查找程序的pid

$ ps -aux|grep vins

nobody 2233 0.2 0.0 19208 4000 pts/37 S 15:35 0:10 /home/name/vins core /tmp client-core-puux8w0hdr7y5kdq9u12qqz7s7cgw5

火焰图生成脚本

#!/bin/sh

if [ $# -lt 1 ]; then
    echo 'input pid'
    exit 1
fi

rm -f perf.*
perf record -F 99 -p $1 -g -o in-fb.data -- sleep 60 # 首先使用99HZ的采样频率，对pid为$1的进程进行采样，采样输出到in-fb.data中，采样时长为60秒
perf script -i in-fb.data &> perf.unfold
stackcollapse-perf.pl perf.unfold &> perf.folded
flamegraph.pl perf.folded > perf.svg

然后启动bash文件并传入pid

sh fire.sh 2233