2022年Linux高级系统级性能分析工具-perf- .pdf

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1、Linux 的系统级性能剖析工具 perf（三）承刚TAOBAOKernel T第四章 perf stat4.1perf stat 的基本使用方法perf stat 工具用来剖析一个应用程序的性能概况。使用方法非常简单，下面的命令能够得到 ls 程序的一些典型性能数据：$perf stat ls上述命令给出的性能概况如图16 所示。图 16. perf stat ls的输出结果从图上可以看到， perf stat 工具利用 10 个典型性能事件剖析了应用程序。task clock事件表示目标任务 ls 真正占用处理器的时间，单位是毫秒。我们将其称为任务执行时间。如图16 所示， ls 在处理器

2、上执行了近4 毫秒。 “ 0.256 CPUsutilized”表示目标任务的处理器占用率。处理器占用率表示目标任务的执行时间与持续时间的比值。 持续时间是指从任务提交到执行结束之间的总时间。对操作系统有过了解的读者应该知道，Linux这种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（linux 目前使用名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - CFS调度算法）合理安排各个任务轮流

3、使用处理器，每次调度会产生一次上下文切换。在此期间操作系统还需处理大量中断。因此，一个任务的执行时间可能会很短，但是它的持续时间会远高于此（除非此任务是优先级最高的实时任务）。以图 16 中的例子来说， ls 的执行时间为 3.98毫秒，而持续为 15.58 毫秒，处理器占用率为 0.256。在此期间，系统共发生了45 次上下文切换。平均每秒发生0.011*106次。上下文切换次数的均值是上下文切换次数与任务执行时间的比值。在多（核）处理器系统中，Linux为了维持各个处理器的负载均衡，会在特定条件下将某个任务从一个处理器迁往另外一个处理器。此时，我们便说发生了一次处理器迁移。从图16 上看到

4、， ls在执行期间没有被操作系统迁移过。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、 或者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） 。内核在捕获缺页异常时，根据异常种类进行相应的处理。另外，TLB不命中，页面访问权限不匹配等情况也会触发缺页异常。内核中对 pagefaults (PERF_COUNT_SW_PAGE_FAULTS)事件的精确定义是缺页异常的处理函数do_page_fault()被执行。程序 ls 在执行期间共触发了320 次缺页异常。平均发生率为每秒0.08*

5、106次。cycles 为ls 程序消耗的处理器周期数。 如果将被 ls 占据的那部分时间看作一个抽象处理器，它的主频只需为0.75GHz便可以在 3.98 毫秒内完成 ls 命令的处理。instructions是指命令 ls 执行期间产生的处理器指令数。 IPC （instructions perfcycle）为 0.69。IPC是评价处理器与应用程序性能的重要指标。在X86这种 CSIC名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - -

6、 - - 处理器上， 很多指令需要多个处理器周期才能执行完毕。另外，有些指令在流水线上未必能成功引退 （retired） ，从而形成无效指令。 长指令与无效执行越多， IPC就越低，处理器的利用率与程序的执行效率也就越低。因此，IPC在一定程度下，让我们对程序的执行效率有一个宏观认识。branches 是指程序在执行期间遇到的分支指令数。branch misses 则是预测错误的分支指令数。 绝大多数现代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

7、流该往何处跳转。这就导致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） 。体系结构的经典著作计算机体系结构：量化研究方法上说，分支指令产生的性能影响为10%30%2，流水线越长，性能影响就越大。为了减少分支指令造成的流水线停顿，从P5处理器开始引入了分支预测机制。当处理器无法判断指令的跳转方向时， 便通过分支预测单元选择一个最有可能的跳转方向。但是，既然是预测，就存在预测失败的可能。当分支预测失败时，会对处理器周期造成较大的浪费。在5 发射 10 级流水线的处理器中，当分支预测的准确率为 90%时，处理器带宽会浪费47%；而如果准确率提高到96%，带宽浪费可降低至

8、 26%3。Corei7 以及 Xeon5500 等较新的处理器在分支预测失效时，已经无需刷新全部流水线， 但错误指令加载与计算导致的无效开销依然不可小觑。这就要求我们在编写代码时，应尽量减少分支预测错误的次数。但在此之前，通过perf stat，perf top，perf record 等工具查查分支预测失效率，以及导致分支预测失效过高的热点代码是非常有必要的。 branchmisses一行中的 *% of allbranches 即为目标程序执行期间的分支预测失效率。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整

9、理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 4.2perf stat 的参数介绍perf stat 工具也提供了若干参数，其中一些与perf top 类似，下面我们主要讲讲 perf stat 独有的参数。 e or event 选择性能事件，参考perf top 与 perf list 的相关章节。 filter配合 Tracepoints使用，等同于 ftrace 中 filter 的概念，根据正则表达式追踪指定的函数。 i or no inherit禁止子任务继承父任务的性能计数器。类似于 perf top 中的 i 参数，只是此处是禁止继

10、承机制。 c or scale 要求底层驱动记录计数器的run 与 enabled 时间。此选项默认打开，且不能关闭。 r or repeat 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。命令：$perf stat r 10ls /dev/null将重复执行 10 次” ls /dev/null”，并给出如下结果：图 17. perf stat 连续执行 10 次后给出的统计信息与图 16 相比，图 17 上多了一列统计信息。 括号里的百分比为n 个性能数据的标准差与数学期望的比值。 这个值越大， 表示各样本与平均值之间的偏差就越名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载

11、- - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - 大，也就是说样本的波动幅度就越大。 v or verbose 开启此选项后， perf stat 将显示更丰富的信息，比如打开计数器时系统报出的错误信息，各个计数器的计数值、运行时间与使能时间等信息。 n or null 开启这个选项后， perf stat 仅仅输出目标程序的执行时间，而不开启任何性能计数器。执行命令：$perf stat n ls/dev/nullperf stat 将给出如图 18 所示的信息。图 1

12、8. perf stat n 的输出信息perf stat 通过系统调用 clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC,&ts)记录目标程序的执行时间，而没有利用任何性能计数器。 d or detailed开启该选项后， perf stat 将给出更丰富的性能指标。执行命令：$perf stat d ls/dev/nullperf stat 将给出如图 19 所示的信息。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - -

13、- 图 19. perf stat d 的显示信息与前图相比，开启 d选项后，perf stat 给出了 L1 dcache loads等 Cache相关的性能指标。 S or sync在执行目标程序前，先执行系统调用sync()，将内存缓冲区中的数据写回磁盘。从而使得目标程序在执行时能够获得更干净的环境。 A or no aggr 此选项必须与 a选项一起使用。 开启此选项后， perf stat 将给出每个处理器上相应的信息。执行命令：$perf stat a Als /dev/nullperf stat 给出的信息如图20 所示。图 20. perf stat A 的显示信息 x or

14、field separator如果希望将 perf stat 的信息导进数据库， 或者希望利用某些文本分析工具对输出信息进行分析，就需要获得格式化的输出结果。 x参数能够满足这项需求。如果我们希望各项输出信息之间通过 ； 分隔，可以采用如下命令：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - $perf stat x; ls /dev/nullperf stat 的输出信息如图21 所示。图 21. perf stat x的输出信息 o or output 可以通过此选项将perf stat 的结果输出到指定文件。 append以追加模式，将输出信息写入输出文件。 pre 通过此参数，可以指定在目标程序之前执行的程序。 post 通过此参数，可以指定在目标程序之后执行的程序。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -