Linux使用perf工具进行性能分析的详细指南

目录

• 1、perf简介
• 2、perf安装
• 3、perf的基本使用
• 3.1、查看CPU性能计数器
• 3.2、查看系统调用和事件
• 3.3、调用图
• 3.4、分析热点函数
• 4、perf进阶使用
• 4.1、跟踪特定事件
• 4.2、CPU级别性能分析
• 4.3、分析多进程
• 5、perf输出分析
• 6、总结

1、perf简介

perf 是 linux 内核自带的一个性能分析工具，它能够采集和分析系统和应用程序的性能数据。perf 是基于 Linux 内核的性能计数器（Performance Counters）实现的，通过它可以收集大量关于 CPU、内存、I/O 等方面的信息。perf 支持多种分析模式，如采样（Sampling）、跟踪（Tracing）、事件计数等。perf 工具的关键功能如下：

• CPU 性能计数：收集 CPU 周期、指令、缓存访问等信息。
• 调用图分析：分析函数调用的频率、调用链和性能瓶颈。
• 时间跟踪：对程序的执行时间进行精确分析。
• 内存访问：分析内存访问模式，如缓存命中率、内存带宽使用等。
• 事件跟踪：支持跟踪不同事件，如系统调用、进程调度等。

2、perf安装

大多数现代 Linux 发行版都已预装 perf 工具。如果你的系统中没有安装 perf，可以通过以下命令进行安装：

sudo apt update
sudo apt install linux-tools-common linux-tools-$(uname -r)

3、perf的基本使用

3.1、查看CPU性能计数器

最简单的 perf 命令之一是查看 CPU 性能计数器信息。可以使用 perf stat 命令来收集一些基本的统计信息：

perf stat ls

上面的命令会执行 ls 命令并输出 CPU 使用情况，如周期数、指令数、缓存命中率等。

 Performance counter stats for 'ls':

        1.615207      task-clock (msec)         #    0.999 CPUs utilized          
        1,234,568      context-switches          #    0.764 javascriptK/sec                  
          567,876      CPU-migrations            #    0.351 K/sec                  
        100,056,789    page-faults               #    61.92 K/sec                  
       2,456,789,123  cycles                    #    1.517 GHz                   python
       1,234,567,890  instructions              #    0.50  insns per cycle        
         345,678,901  branches                  #    213.12 M/sec                 
          123,456,789  branch-mjavascriptisses             #    35.66% of all branches       
       
       0.001500123 seconds time elapsed

常见的统计项包括：

• task-clock：任务执javascript行时间
• cycles：CPU周期数
• instructions：指令数
• branches：分支指令数
• branch-misses：分支预测失败的次数
• page-faults：页面错误数

3.2、查看系统调用和事件

如果你想查看某个程序的系统调用，可以使用 perf trace 命令。例如：

perf trace ./my_program

该命令会列出 my_program 程序执行时的系统调用，类似于 strace，但是 perf trace 会提供更多的性能分析信息。

3.3、调用图

perf 还支持生成调用图，可以帮助我们了解函数调用的情况。使用 perf record 进行采样，然后通过 perf report 查看调用图。

perf record -g ./my_program
perf report

-g 选项启用了调用图的采样。执行 perf report 后，您可以看到函数调用图，并找出可能的性能瓶颈

3.4、分析热点函数

假设我们需要分析某个程序中最耗时的函数。可以通过 perf record 和 perf report 获得：

perf record -e cycles -a -- sleep 10
perf report

上面命令会记录所有 CPU 上的周期，并且在执行 10 秒后生成报告。在报告中，可以查看哪些函数消耗了最多的 CPU 周期。

4、perf进阶使用

4.1、跟踪特定事件

perf 支持多种硬件和软件事件，可以通过 -e 参数指定感兴趣的事件。例如，监控指令计数和缓存命中率：

perf stat -e instructions,cache-references,cache-misses ls

常见的性能事件包括：

• instructions：执行的指令数
• cycles：CPU 周期
• cache-references：缓存访问次数
• cache-misses：缓存未命中的次数

4.2、CPU级别性能分析

有时候，CPU 上的性能问题会影响整个系统的表现。perf 可以帮助我们分析 CPU 级别的事件。例如，查看 CPU 使用率、上下文切换等：

perf stat -e cpu-clock,task-clock,cpu-migrations,context-switches -a

此命令会实时显示系统级的 CPU 性能数据，包括上下文切换和 CPU 迁移情况。

4.3、分析多进程

perf 也支持多进程的性能分析。例如，分析整个系统中所有进程的性能：

perf stat -a -e cycles,instructions,cache-references,cache-misses

通过上述命令，perf 将会显示系统所有进程的性能数据，包括 CPU 周期、指令数、缓存访问

5、perf输出分析

perf 的输出通常包含很多细节，理解这些数据对性能分析至关重要。我们可以从以下几个方面分析输出结果：

CPU 周期与指令数，通过比较 cycles 和 instructions 可以计算指令的执行效率。如果 instructions 远少于 cycles，意味着 CPU 的利用率不高，可能是由于分支预测失败、内存延迟等问题

缓存js命中率，通过查看 cache-references 和 cache-misses，可以判断缓存命中率。如果缓存未命中过多，说明程序的内存访问模式不够友好，可能导致性能瓶颈

上下文切换和 CPU 迁移，频繁的上下文切换和 CPU 迁移通常会导致性能下降。这些问题可能是由于锁竞争、IO 阻塞等原因造成的

6、总结

perf 是一个功能强大的性能分析工具，可以帮助开发人员从多个维度进行系统和应用程序的性能分析。通过掌握 perf 的基本命令和高级功能，开发者可以更高效地定位性能瓶颈，优化系统的运行效率。

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