Linux性能分析专题性能分析倚天剑perf横空出世

Posted 2022-06-07 奇妙之二进制

文章目录

• • perf 简介
  • 背景知识
  • • 硬件特性之 cache
    • 硬件特性之流水线，超标量体系结构，乱序执行
    • 硬件特性之分支预测
    • 性能相关的处理器硬件特性，PMU 简介
    • Tracepoints

perf 简介

perf 是用来进行软件性能分析的工具，它是由内核原生支持的，随内核源码发布。

通过它，应用程序可以利用 PMU，tracepoint 和内核中的特殊计数器来进行性能统计。它不但可以分析指定应用程序的性能问题 (per thread)，也可以用来分析内核的性能问题，当然也可以同时分析应用代码和内核，从而全面理解应用程序中的性能瓶颈。

最初的时候，它叫做 Performance counter，在 2.6.31 中第一次亮相。此后他成为内核开发最为活跃的一个领域。在 2.6.32 中它正式改名为 Performance Event，因为 perf 已不再仅仅作为 PMU 的抽象，而是能够处理所有的性能相关的事件。

使用 perf，您可以分析程序运行期间发生的硬件事件，比如 instructions retired ，processor clock cycles 等；您也可以分析软件事件，比如 Page Fault 和进程切换。

这使得 Perf 拥有了众多的性能分析能力，举例来说，使用 Perf 可以计算每个时钟周期内的指令数，称为 IPC，IPC 偏低表明代码没有很好地利用 CPU。Perf 还可以对程序进行函数级别的采样，从而了解程序的性能瓶颈究竟在哪里等等。Perf 还可以替代 strace，可以添加动态内核 probe 点，还可以做 benchmark 衡量调度器的好坏。。。

人们或许会称它为进行性能分析的“瑞士军刀”，但我不喜欢这个比喻，我觉得 perf 应该是一把世间少有的倚天剑。

金庸笔下的很多人都有对宝刀的癖好，即便本领低微不配拥有，但是喜欢，便无可奈何。我恐怕正如这些人一样，因此进了酒馆客栈，见到相熟或者不相熟的人，就要兴冲冲地要讲讲那倚天剑的故事。

背景知识

有些背景知识是分析性能问题时需要了解的。比如硬件 cache；再比如操作系统内核。应用程序的行为细节往往是和这些东西互相牵扯的，这些底层的东西会以意想不到的方式影响应用程序的性能，比如某些程序无法充分利用 cache，从而导致性能下降。比如不必要地调用过多的系统调用，造成频繁的内核 / 用户切换。等等。方方面面，这里只是为本文的后续内容做一些铺垫，关于调优还有很多东西，我所不知道的比知道的要多的多。

当算法已经优化，代码不断精简，人们调到最后，便需要斤斤计较了。cache 啊，流水线啊一类平时不大注意的东西也必须精打细算了。

硬件特性之 cache

内存读写是很快的，但还是无法和处理器的指令执行速度相比。为了从内存中读取指令和数据，处理器需要等待，用处理器的时间来衡量，这种等待非常漫长。Cache 是一种 SRAM，它的读写速率非常快，能和处理器处理速度相匹配。因此将常用的数据保存在 cache 中，处理器便无须等待，从而提高性能。Cache 的尺寸一般都很小，充分利用 cache 是软件调优非常重要的部分。

硬件特性之流水线，超标量体系结构，乱序执行

提高性能最有效的方式之一就是并行。处理器在硬件设计时也尽可能地并行，比如流水线，超标量体系结构以及乱序执行。

处理器处理一条指令需要分多个步骤完成，比如先取指令，然后完成运算，最后将计算结果输出到总线上。在处理器内部，这可以看作一个三级流水线，如下图所示：

指令从左边进入处理器，上图中的流水线有三级，一个时钟周期内可以同时处理三条指令，分别被流水线的不同部分处理。

超标量（superscalar）指一个时钟周期发射多条指令的流水线机器架构，比如 Intel 的 Pentium 处理器，内部有两个执行单元，在一个时钟周期内允许执行两条指令。

此外，在处理器内部，不同指令所需要的处理步骤和时钟周期是不同的，如果严格按照程序的执行顺序执行，那么就无法充分利用处理器的流水线。因此指令有可能被乱序执行。

上述三种并行技术对所执行的指令有一个基本要求，即相邻的指令相互没有依赖关系。假如某条指令需要依赖前面一条指令的执行结果数据，那么 pipeline 便失去作用，因为第二条指令必须等待第一条指令完成。因此好的软件必须尽量避免这种代码的生成。

硬件特性之分支预测

分支指令对软件性能有比较大的影响。尤其是当处理器采用流水线设计之后，假设流水线有三级，当前进入流水的第一条指令为分支指令。假设处理器顺序读取指令，那么如果分支的结果是跳转到其他指令，那么被处理器流水线预取的后续两条指令都将被放弃，从而影响性能。为此，很多处理器都提供了分支预测功能，根据同一条指令的历史执行记录进行预测，读取最可能的下一条指令，而并非顺序读取指令。

分支预测对软件结构有一些要求，对于重复性的分支指令序列，分支预测硬件能得到较好的预测结果，而对于类似 switch case 一类的程序结构，则往往无法得到理想的预测结果。

性能相关的处理器硬件特性，PMU 简介

上面介绍的几种处理器特性对软件的性能有很大的影响，然而依赖时钟进行定期采样的 profiler 模式无法揭示程序对这些处理器硬件特性的使用情况。处理器厂商针对这种情况，在硬件中加入了 PMU 单元，即 performance monitor unit。

PMU 允许软件针对某种硬件事件设置 counter，此后处理器便开始统计该事件的发生次数，当发生的次数超过 counter 内设置的值后，便产生中断。比如 cache miss 达到某个值后，PMU 便能产生相应的中断。

捕获这些中断，便可以考察程序对这些硬件特性的利用效率了。

Tracepoints

Tracepoint 是散落在内核源代码中的一些 hook，一旦使能，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。Perf 就是该特性的用户之一。

假如您想知道在应用程序运行期间，内核内存管理模块的行为，便可以利用潜伏在 slab 分配器中的 tracepoint。当内核运行到这些 tracepoint 时，便会通知 perf。

perf 将 tracepoint 产生的事件记录下来，生成报告，通过分析这些报告，调优人员便可以了解程序运行时期内核的种种细节，对性能症状作出更准确的诊断。