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 K/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 1,234,567,890 instructions # 0.50 insns per cycle 345,678,901 branches # 213.12 M/sec 123,456,789 branch-misses # 35.66% of all branches 0.001500123 seconds time elapsed
常见的统计项包括：
- task-clock：任务执行时间
- 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。
