Linux 性能优化利用perf和CPU使用率定位异常函数

Posted 2021-12-17 从善若水

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文章目录

• CPU 使用率
• 进程运行情况查询
• 使用工具查看CPU使用率
• 定位导致CPU 使用率过高的函数
• • perf top的使用
  • perf record 和 perf report的使用

CPU 使用率

       Linux 作为一个多任务操作系统，将每个 CPU 的时间划分为很短的时间片，再通过调度器轮流分配给各个任务使用，因此造成多任务同时运行的错觉。

       为了维护 CPU 时间，Linux 通过事先定义的节拍率（内核中表示为 HZ），触发时间中断，并使用全局变量 Jiffies 记录了开机以来的节拍数。每发生一次时间中断，Jiffies 的值就加 1。

       节拍率 HZ 是内核的可配选项，可以设置为 100、250、1000 等。不同的系统可能设置不同数值，你可以通过查询 /boot/config 内核选项来查看它的配置值。比如在我的系统中，节拍率设置成了 250，也就是每秒钟触发 250 次时间中断。

       同时，正因为节拍率 HZ 是内核选项，所以用户空间程序并不能直接访问。为了方便用户空间程序，内核还提供了一个用户空间节拍率 USER_HZ，它总是固定为 100，也就是 1/100 秒。这样，用户空间程序并不需要关心内核中 HZ 被设置成了多少，因为它看到的总是固定值 USER_HZ。

       Linux 通过 /proc 虚拟文件系统，向用户空间提供了系统内部状态的信息，而 /proc/stat 提供的就是系统的 CPU 和任务统计信息。比方说，如果你只关注 CPU 的话，可以执行下面的命令：

       这里的输出结果是一个表格。其中，第一列表示的是 CPU 编号，如 cpu0、cpu1 ，而第一行没有编号的 cpu ，表示的是所有 CPU 的累加。其他列则表示不同场景下 CPU 的累加节拍数，它的单位是 USER_HZ，也就是 10 ms（1/100 秒），所以这其实就是不同场景下的 CPU 时间。

       当然，这里每一列的顺序并不需要你背下来。你只要记住，有需要的时候，查询 man proc 就可以。不过，你要清楚 man proc 文档里每一列的涵义，它们都是 CPU 使用率相关的重要指标，你还会在很多其他的性能工具中看到它们。下面，我来依次解读一下:

• user（通常缩写为 us），代表用户态 CPU 时间。注意，它不包括下面的 nice 时间，但包括了 guest 时间;
• nice（通常缩写为 ni），代表低优先级用户态 CPU 时间，也就是进程的 nice 值被调整为 1-19 之间时的 CPU 时间。这里注意，nice 可取值范围是 -20 到 19，数值越大，优先级反而越低;
• ==system（通常缩写为 sys），代表内核态 CPU 时间;
• idle（通常缩写为 id），代表空闲时间。注意，它不包括等待 I/O 的时间（iowait）;
• iowait（通常缩写为 wa），代表等待 I/O 的 CPU 时间;
• irq（通常缩写为 hi），代表处理硬中断的 CPU 时间;
• softirq（通常缩写为 si），代表处理软中断的 CPU 时间;
• steal（通常缩写为 st），代表当系统运行在虚拟机中的时候，被其他虚拟机占用的 CPU 时间;
• guest（通常缩写为 guest），代表通过虚拟化运行其他操作系统的时间，也就是运行虚拟机的 CPU 时间;
• guest_nice（通常缩写为 gnice），代表以低优先级运行虚拟机的时间。

而我们通常所说的 CPU 使用率，就是除了空闲时间外的其他时间占总 CPU 时间的百分比，用公式来表示就是：

根据这个公式，我们就可以从 /proc/stat 中的数据，很容易地计算出 CPU 使用率。但是 /proc/stat 中的值是开机以来的节拍数累加值，所以直接算出来的，是开机以来的平均 CPU 使用率，一般没啥参考价值。

事实上，为了计算 CPU 使用率，性能工具一般都会取间隔一段时间（比如 3 秒）的两次值，作差后，再计算出这段时间内的平均 CPU 使用率，即：

进程运行情况查询

       Linux 也给每个进程提供了运行情况的统计信息，也就是 /proc/[pid]/stat。不过，这个文件包含的数据就比较丰富了，总共有 52 列的数据。我们这里就不赘述了，可以通过 man proc查阅具体含义。

使用工具查看CPU使用率

top pidstat 和 ps 是最常用的性能分析工具：

• top 显示了系统总体的 CPU 和内存使用情况，以及各个进程的资源使用情况 。但是，top 并没有细分进程的用户态 CPU 和内核态 CPU；
• pidstat 一个专门分析每个进程 CPU 使用情况的工具，默认间隔 1 秒展示了进程的 5 组 CPU 使用率：
  • 用户态 CPU 使用率 （%usr）；
  • 内核态 CPU 使用率（%system）；
  • 运行虚拟机 CPU 使用率（%guest）；
  • 等待 CPU 使用率（%wait）；
  • 以及总的 CPU 使用率（%CPU）；
• ps 则只显示了每个进程的资源使用情况。

定位导致CPU 使用率过高的函数

       perf 是 Linux 2.6.31 以后内置的性能分析工具。它以性能事件采样为基础，不仅可以分析系统的各种事件和内核性能，还可以用来分析指定应用程序的性能问题。

perf top的使用

       perf top，类似于 top，它能够实时显示占用 CPU 时钟最多的函数或者指令，因此可以用来查找热点函数，使用界面如下所示：

输出结果中，第一行包含三个数据，分别是采样数（Samples）、事件类型（event）和事件总数量（Event count）。比如这个例子中，perf 总共采集了 610 个 CPU 时钟事件，而总事件数则为 109736637。

另外，采样数需要我们特别注意。如果采样数过少（比如只有十几个），那下面的排序和百分比就没什么实际参考价值了。

再往下看是一个表格式样的数据，每一行包含四列，分别是：

• 第一列 Overhead ，是该符号的性能事件在所有采样中的比例，用百分比来表示；
• 第二列 Shared ，是该函数或指令所在的动态共享对象（Dynamic Shared Object），如内核、进程名、动态链接库名、内核模块名等；
• 第三列 Object ，是动态共享对象的类型。比如 [.] 表示用户空间的可执行程序、或者动态链接库，而 [k] 则表示内核空间；
• 最后一列 Symbol 是符号名，也就是函数名。当函数名未知时，用十六进制的地址来表示。

perf record 和 perf report的使用

       perf top 虽然实时展示了系统的性能信息，但它的缺点是并不保存数据，也就无法用于离线或者后续的分析。而 perf record 则提供了保存数据的功能，保存后的数据，需要你用 perf report 解析展示。

关于perf report中的数据，怎么解读我们会再写一篇博文进行讲解，感兴趣的同学可以关注我的博客。

在实际使用中，我们还经常为 perf top 和 perf record 加上 -g 参数，开启调用关系的采样，方便我们根据调用链来分析性能问题。

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       性能分析工具给出的都是间隔一段时间的平均 CPU 使用率，所以要注意间隔时间的设置，特别是用多个工具对比分析时，你一定要保证它们用的是相同的间隔时间。
       比如，对比一下 top 和 ps 这两个工具报告的 CPU 使用率，默认的结果很可能不一样，因为 top 默认使用 3 秒时间间隔，而 ps 使用的却是进程的整个生命周期

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