Perf使用詳解

Perf 工具深度解析

Perf（Performance Counters for Linux）是 Linux 系統的性能分析工具，基于內核的 perf_event 子系統，通過硬件性能計數器（PMC）、軟件事件和跟蹤點（tracepoints）實現全方位性能監控。

一、工作原理與實現機制

1. 核心組件
組件作用
硬件性能計數器利用 CPU 的 PMU（Performance Monitoring Unit）統計指令周期、緩存命中/失效等事件。
軟件事件內核插樁統計上下文切換、缺頁異常等軟件行為（如 context-switches）。
跟蹤點靜態內核探針（如 sched:sched_switch），記錄特定代碼路徑的執行信息。
kprobes/uprobes動態內核/用戶空間探針，支持自定義函數級跟蹤。
2. 數據采集流程
+----------------+       +-------------------+       +-----------------+
| 配置事件        | ----> | perf_event_open() | ----> | 內核事件子系統   |
| (cycles, cache |       | (系統調用)        |       | (PMU/軟件計數器) |
| misses, etc.)   |       +-------------------+       +-----------------+
+----------------+                     |v
+------------------+     mmap()      +--------------+
| 用戶空間工具      | <------------- | 環形緩沖區     |
| (perf record/stat)|                 | (存儲樣本)    |
+------------------+                 +--------------+
3. 關鍵機制
  • 環形緩沖區：采樣數據通過無鎖環形緩沖（避免系統調用開銷）傳遞到用戶空間。
  • 采樣模式：
    • 計數模式：累計事件發生次數（perf stat）。
    • 中斷采樣：事件達到閾值時觸發中斷，記錄指令指針/IP（perf record）。
  • 符號解析：通過 /proc/kallsyms 或 ELF 文件將地址映射為函數名。

二、命令大全與使用示例

1. 常用命令總結
命令功能常用選項
perf stat統計事件發生的絕對次數-e (指定事件), -p (PID), -a (全局)
perf record采樣并保存數據到 perf.data-g (調用棧), -F (采樣頻率), -o (輸出文件)
perf report解析 perf.data 生成報告--stdio (文本報告), -n (顯示樣本數)
perf top實時顯示熱點函數-e (事件), -K (隱藏內核符號)
perf list列出支持的事件--details (顯示事件詳情)
perf script導出采樣數據為腳本格式-i (輸入文件), -F (自定義字段)
perf trace類似 strace，跟蹤系統調用-p (PID), -e (過濾系統調用)
perf annotate匯編代碼級注解--stdio (文本模式), -s (符號)
2. 詳細示例

Perf 典型使用場景及命令詳解

2.1 CPU 性能分析
場景命令示例說明
CPU 熱點函數分析perf top -e cycles -p <PID>實時查看進程的熱點函數
調用鏈分析perf record -F 99 -g -p <PID> -o perf.data; perf report --stdio記錄調用棧并生成文本報告
多核負載均衡分析perf stat -e sched:sched_migrate_task -a sleep 10監控任務在 CPU 核間的遷移情況
IPC 指標分析perf stat -e cycles,instructions -p <PID> -- sleep 5計算指令/周期比 (IPC = instructions/cycles)

示例：CPU 瓶頸診斷

# 1. 查找 CPU 占用最高的進程
perf top# 2. 對高負載進程 (PID 1234) 進行采樣
perf record -F 997 -g -p 1234 -o cpu_hotspot.data -- sleep 30# 3. 生成帶調用棧的報告
perf report -i cpu_hotspot.data --stdio --no-children

輸出片段：

# Overhead  Command  Shared Object     Symbol
# ........  .......  ................  ................................
#62.15%  nginx    nginx             [.] ngx_http_process_request|---ngx_http_process_request|          |--45.32%-- ngx_http_core_content_phase|          ngx_http_proxy_handler|          ||          |--38.71%-- ngx_http_upstream_connect|          |          __connect
2.2 內存子系統分析
場景命令示例說明
緩存命中率分析perf stat -e cache-references,cache-misses <command>統計 L1/L2/L3 緩存效率
內存帶寬分析perf stat -e uncore_imc_0/cas_count_read/,uncore_imc_0/cas_count_write/監控 DDR 內存讀寫帶寬 (需 Intel PMU)
缺頁異常分析perf stat -e page-faults,minor-faults,major-faults -p <PID>區分次/主缺頁異常

示例：內存敏感型應用優化

# 1. 檢測緩存效率
perf stat -e \L1-dcache-load-misses,LLC-load-misses,dTLB-load-misses \./memory_intensive_app# 2. 輸出結果35,421,632  L1-dcache-load-misses     #  12.45% of all L1-dcache hits  8,765,432  LLC-load-misses           #   3.21% of all LL-cache hits1,234,567  dTLB-load-misses          #   0.45% of all dTLB cache hits
2.3 I/O 性能分析
場景命令示例說明
塊設備 I/O 延遲perf record -e block:block_rq_issue,block:block_rq_complete -a跟蹤塊設備請求生命周期
文件系統操作跟蹤perf record -e ext4:*,xfs:* -a捕獲特定文件系統事件
系統調用分析perf trace -e 'read,write,openat' -p <PID>監控文件相關系統調用

示例：磁盤 I/O 瓶頸診斷

# 1. 跟蹤塊設備事件
perf record -e block:block_rq_issue -e block:block_rq_complete -a# 2. 生成延遲報告
perf script | awk '/block_rq_issue/{ts[$5]=$4}/block_rq_complete/{if(ts[$5])printf "%.2f ms\n", ($4-ts[$5])*1000}'

輸出：

8.23 ms  # I/O 請求延遲
12.45 ms
5.67 ms
2.4 網絡性能分析
場景命令示例說明
網絡協議棧跟蹤perf record -e skb:kfree_skb -e net:net_dev_xmit -a監控丟包和發送事件
TCP 函數跟蹤perf probe --add tcp_v4_connect; perf record -e probe:tcp_v4_connect動態跟蹤 TCP 連接建立
網絡延遲分析perf trace -e sendto,recvfrom -p <PID> -T跟蹤網絡收發系統調用時間戳

示例：網絡丟包分析

# 1. 創建丟包檢測探針
sudo perf probe --add 'kfree_skb reason'# 2. 記錄丟包事件
sudo perf record -e probe:kfree_skb -aR -o net_drop.data# 3. 分析丟包原因
sudo perf script -i net_drop.data | awk '{print $5}' | sort | uniq -c | sort -nr

輸出：

 1423 TCP: Too many orphaned sockets890 NETDEV WATCHDOG: enp0s3 transmit timeout321 ICMP: Destination unreachable
2.5 鎖與同步分析
場景命令示例說明
鎖競爭分析perf record -e lock:lock_acquire -e lock:lock_release -g -p <PID>跟蹤鎖獲取/釋放事件
調度延遲分析perf sched record -p <PID>; perf sched latency分析任務調度延遲
中斷分析perf record -e irq:irq_handler_entry -e irq:irq_handler_exit -a跟蹤中斷處理時間

示例：鎖競爭診斷

# 1. 記錄鎖事件
perf record -e lock:lock_acquire -e lock:lock_release -g -p 5678 -o locks.data# 2. 生成競爭報告
perf lock report -i locks.data --combine-locks --sort contended

輸出：

                Name   acquired  contended   avg wait (ns)
----------------------------------------------------------
&sb->s_type->i_lock    14235      4231        15234&rq->lock      8765       2109         8765mm->page_table_lock 6543     987          5432
2.6 火焰圖生成
perf record -F 99 -a -g -- sleep 30
perf script > out.perf
./FlameGraph/stackcollapse-perf.pl out.perf > out.folded
./FlameGraph/flamegraph.pl out.folded > flame.svg
2.7 Perf 工作流程圖
CPU 瓶頸
內存瓶頸
I/O 瓶頸
網絡問題
鎖競爭
確定分析目標
性能問題類型
perf record/top
perf stat -e cache
perf trace -e block
perf probe + net events
perf lock
生成火焰圖/報告
緩存命中率報告
I/O 延遲直方圖
丟包原因統計
鎖競爭分析
優化熱點函數
調整數據布局
優化 I/O 模式
調整網絡參數
減少鎖粒度
2.8 高級技巧

  1. PEBS 精確采樣

    perf record -e cycles:pp -c 1000000 -p <PID>  # 每100萬周期采樣一次

  2. 事件分組統計

    perf stat -e '{cycles,instructions,branch-misses}' -r 5 ./program

  3. 時間戳跟蹤

    perf record -e sched:sched_switch -T -a -- sleep 10
perf script --ns

  4. 跨進程跟蹤

    perf record -e 'sched:sched_wakeup,sched:sched_switch' -a

  5. 用戶空間探針

    perf probe -x /path/to/bin 'func_name'
perf record -e probe_bin:func_name -a

三、Perf 使用流程圖

計數模式
采樣模式
實時模式
動態跟蹤
啟動分析
選擇模式
perf stat
perf record
保存到 perf.data
perf report/report
生成文本/圖形報告
perf top
perf probe + record
perf script 分析日志
優化代碼/系統

四、高級技巧

  1. 事件修飾符：
    • u：僅用戶空間，如 perf stat -e cycles:u
    • k：僅內核空間
  2. 精確采樣：
    perf record -e cycles:pp -p 1234  # 使用 PEBS 精確采樣
  3. 多事件分析：
    perf stat -e cycles,instructions,cache-references,cache-misses ls

五、注意事項

  • 權限要求：部分事件需要 CAP_PERFMON 或 root 權限。
  • 符號表：用戶程序需編譯時添加 -g 選項（保留調試符號）。
  • 內核版本：不同內核版本支持事件可能不同（perf list 查看）。

通過靈活組合命令，Perf 可定位 CPU 瓶頸、內存延遲、I/O 問題等，是 Linux 性能調優的核心工具。

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