【Linux 性能优化】利用perf和CPU使用率定位异常函数
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文章目錄
- CPU 使用率
- 進程運行情況查詢
- 使用工具查看CPU使用率
- 定位導致CPU 使用率過高的函數
- perf top的使用
- perf record 和 perf report的使用
CPU 使用率
???????Linux 作為一個多任務操作系統，將每個 CPU 的時間劃分為很短的時間片，再通過調度器輪流分配給各個任務使用，因此造成多任務同時運行的錯覺。
???????為了維護 CPU 時間，Linux 通過事先定義的節拍率（內核中表示為 HZ），觸發時間中斷，并使用全局變量 Jiffies 記錄了開機以來的節拍數。每發生一次時間中斷，Jiffies 的值就加 1。
???????節拍率 HZ 是內核的可配選項，可以設置為 100、250、1000 等。不同的系統可能設置不同數值，你可以通過查詢 /boot/config 內核選項來查看它的配置值。比如在我的系統中，節拍率設置成了 250，也就是每秒鐘觸發 250 次時間中斷。
???????同時，正因為節拍率 HZ 是內核選項，所以用戶空間程序并不能直接訪問。為了方便用戶空間程序，內核還提供了一個用戶空間節拍率 USER_HZ，它總是固定為 100，也就是 1/100 秒。這樣，用戶空間程序并不需要關心內核中 HZ 被設置成了多少，因為它看到的總是固定值 USER_HZ。
???????Linux 通過 /proc 虛擬文件系統，向用戶空間提供了系統內部狀態的信息，而 /proc/stat 提供的就是系統的 CPU 和任務統計信息。比方說，如果你只關注 CPU 的話，可以執行下面的命令：
???????這里的輸出結果是一個表格。其中，第一列表示的是 CPU 編號，如 cpu0、cpu1 ，而第一行沒有編號的 cpu ，表示的是所有 CPU 的累加。其他列則表示不同場景下 CPU 的累加節拍數，它的單位是 USER_HZ，也就是 10 ms（1/100 秒），所以這其實就是不同場景下的 CPU 時間。
???????當然，這里每一列的順序并不需要你背下來。你只要記住，有需要的時候，查詢 man proc 就可以。不過，你要清楚 man proc 文檔里每一列的涵義，它們都是 CPU 使用率相關的重要指標，你還會在很多其他的性能工具中看到它們。下面，我來依次解讀一下:
- user（通常縮寫為 us），代表用戶態 CPU 時間。注意，它不包括下面的 nice 時間，但包括了 guest 時間;
- nice（通常縮寫為 ni），代表低優先級用戶態 CPU 時間，也就是進程的 nice 值被調整為 1-19 之間時的 CPU 時間。這里注意，nice 可取值范圍是 -20 到 19，數值越大，優先級反而越低;
- ==system（通常縮寫為 sys），代表內核態 CPU 時間;
- idle（通常縮寫為 id），代表空閑時間。注意，它不包括等待 I/O 的時間（iowait）;
- iowait（通常縮寫為 wa），代表等待 I/O 的 CPU 時間;
- irq（通常縮寫為 hi），代表處理硬中斷的 CPU 時間;
- softirq（通常縮寫為 si），代表處理軟中斷的 CPU 時間;
- steal（通常縮寫為 st），代表當系統運行在虛擬機中的時候，被其他虛擬機占用的 CPU 時間;
- guest（通常縮寫為 guest），代表通過虛擬化運行其他操作系統的時間，也就是運行虛擬機的 CPU 時間;
- guest_nice（通常縮寫為 gnice），代表以低優先級運行虛擬機的時間。
而我們通常所說的 CPU 使用率，就是除了空閑時間外的其他時間占總 CPU 時間的百分比，用公式來表示就是：
根據這個公式，我們就可以從 /proc/stat 中的數據，很容易地計算出 CPU 使用率。但是 /proc/stat 中的值是開機以來的節拍數累加值，所以直接算出來的，是開機以來的平均 CPU 使用率，一般沒啥參考價值。
事實上，為了計算 CPU 使用率，性能工具一般都會取間隔一段時間（比如 3 秒）的兩次值，作差后，再計算出這段時間內的平均 CPU 使用率，即：
進程運行情況查詢
???????Linux 也給每個進程提供了運行情況的統計信息，也就是 /proc/[pid]/stat。不過，這個文件包含的數據就比較豐富了，總共有 52 列的數據。我們這里就不贅述了，可以通過 man proc查閱具體含義。
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 顯示了系統總體的 CPU 和內存使用情況，以及各個進程的資源使用情況 。但是，top 并沒有細分進程的用戶態 CPU 和內核態 CPU；
- pidstat 一個專門分析每個進程 CPU 使用情況的工具，默認間隔 1 秒展示了進程的 5 組 CPU 使用率：
- 用戶態 CPU 使用率 （%usr）；
- 內核態 CPU 使用率（%system）；
- 運行虛擬機 CPU 使用率（%guest）；
- 等待 CPU 使用率（%wait）；
- 以及總的 CPU 使用率（%CPU）；
- ps 則只顯示了每個進程的資源使用情況。
定位導致CPU 使用率過高的函數
???????perf 是 Linux 2.6.31 以后內置的性能分析工具。它以性能事件采樣為基礎，不僅可以分析系統的各種事件和內核性能，還可以用來分析指定應用程序的性能問題。
perf top的使用
???????perf top，類似于 top，它能夠實時顯示占用 CPU 時鐘最多的函數或者指令，因此可以用來查找熱點函數，使用界面如下所示：
輸出結果中，第一行包含三個數據，分別是采樣數（Samples）、事件類型（event）和事件總數量（Event count）。比如這個例子中，perf 總共采集了 610 個 CPU 時鐘事件，而總事件數則為 109736637。
另外，采樣數需要我們特別注意。如果采樣數過少（比如只有十幾個），那下面的排序和百分比就沒什么實際參考價值了。
再往下看是一個表格式樣的數據，每一行包含四列，分別是：
- 第一列 Overhead ，是該符號的性能事件在所有采樣中的比例，用百分比來表示；
- 第二列 Shared ，是該函數或指令所在的動態共享對象（Dynamic Shared Object），如內核、進程名、動態鏈接庫名、內核模塊名等；
- 第三列 Object ，是動態共享對象的類型。比如 [.] 表示用戶空間的可執行程序、或者動態鏈接庫，而 [k] 則表示內核空間；
- 最后一列 Symbol 是符號名，也就是函數名。當函數名未知時，用十六進制的地址來表示。
perf record 和 perf report的使用
???????perf top 雖然實時展示了系統的性能信息，但它的缺點是并不保存數據，也就無法用于離線或者后續的分析。而 perf record 則提供了保存數據的功能，保存后的數據，需要你用 perf report 解析展示。
關于perf report中的數據，怎么解讀我們會再寫一篇博文進行講解，感興趣的同學可以關注我的博客。
在實際使用中，我們還經常為 perf top 和 perf record 加上 -g 參數，開啟調用關系的采樣，方便我們根據調用鏈來分析性能問題。
???????性能分析工具給出的都是間隔一段時間的平均 CPU 使用率，所以要注意間隔時間的設置，特別是用多個工具對比分析時，你一定要保證它們用的是相同的間隔時間。
???????比如，對比一下 top 和 ps 這兩個工具報告的 CPU 使用率，默認的結果很可能不一樣，因為 top 默認使用 3 秒時間間隔，而 ps 使用的卻是進程的整個生命周期
這里是從善若水的博客，感謝您的閱讀???
總結
以上是生活随笔為你收集整理的【Linux 性能优化】利用perf和CPU使用率定位异常函数的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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