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如何使用perf和vtune進行性能分析

h1654155282.3538 ? 來源:與非網 ? 作者:與非網 ? 2020-12-27 09:27 ? 次閱讀

1、引言

應用程序的開發(fā)測試過程中,對程序性能進行分析和優(yōu)化是不可或缺的一部分。性能分析(performanceanalysis也稱為profiling),是以收集程序運行時信息為手段研究程序行為的分析方法,是一種動態(tài)程序分析的方法。性能分析的目的在于決定程序的哪個部分應該被優(yōu)化,從而提高程序的速度或者內存使用效率。根據(jù)帕累托法則(也叫二八定律),只有優(yōu)化處于性能瓶頸的那些少量代碼,才能用最小的成本獲得最大的收益。

本文首先介紹了衡量應用程序性能的關鍵指標,隨后介紹如何使用perf和vtune進行性能分析,找到軟件性能的熱點部分。完成應用程序的性能分析并找到性能瓶頸后,能夠快速精準的定位到需要修改的源碼,縮短性能調優(yōu)的時間。

2、程序性能分析指標

衡量應用程序的性能高低,需要從多個方面進行性能指標的分析,主要包括業(yè)務指標、資源指標和可靠性指標。

2.1業(yè)務指標

(1)響應時間

響應時間是指系統(tǒng)對請求作出響應的時間,可以理解為是指用戶從客戶端發(fā)起一個請求開始,到客戶端接收到從服務器端返回的響應結束的時間,這項指標直接影響用戶的感官體驗。在實時互動的場景下,一般要求毫秒級的響應速度。

(2)吞吐量

吞吐量是指單位時間內處理的請求數(shù),常用QPS(QueriesPerSecond)和TPS(TransactionsPerSecond)進行衡量,是衡量多并發(fā)的應用系統(tǒng)的重要指標。

(3)并發(fā)數(shù)

并發(fā)數(shù)指系統(tǒng)可以同時承載的正常使用系統(tǒng)功能的用戶的數(shù)量。這個指標比較直觀但是不是很準確,因為用戶不同的使用模式會導致不同用戶在單位時間發(fā)出不同數(shù)量的請求。

2.2資源指標

(1)CPU使用率

CPU使用率指的是程序在運行期間實時占用的CPU百分比,這是對一個時間段內CPU使用狀況的統(tǒng)計。通過這個指標可以看出在某一個時間段內CPU被占用的情況。

(2)內存利用率

內存是計算機中重要的部件之一,它是與CPU進行溝通的橋梁。計算機中所有程序的運行都是在內存中進行的,因此內存的性能對計算機的影響非常大,內存利用率不宜過高,否則會影響系統(tǒng)性能。

(3)磁盤吞吐量

磁盤指標主要有每秒讀寫多少兆,磁盤繁忙率,磁盤隊列數(shù),平均服務時間,平均等待時間,空間利用率。其中磁盤繁忙率是直接反映磁盤是否有瓶頸的的重要依據(jù)。

(4)網絡吞吐量

網絡吞吐量是指在無網絡故障的情況下單位時間內通過的網絡的數(shù)據(jù)數(shù)量,單位為Byte/s。網絡吞吐量指標用于衡量系統(tǒng)對于網絡設備或鏈路傳輸能力的需求。

2.3可靠性指標

可靠性指在使用條件和規(guī)定時間內,產品完成規(guī)定功能的能力。常用的可靠性指標包括:可靠度、失效概率、失效率、平均工作時間、平均維修時間、有效度等。

3、程序性能分析工具

3.1Linux系統(tǒng)工具

Linux系統(tǒng)上自帶了許多的性能監(jiān)控工具

(1)vmstat:實時動態(tài)監(jiān)視操作系統(tǒng)的虛擬內存、進程、CPU活動。

(2)iostat:動態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)的磁盤操作活動。

(3)top:實時顯示系統(tǒng)中各個進程的資源占用狀況。

(4)sar:Linux上最為全面的系統(tǒng)性能分析工具之一,可以從14個大方面對系統(tǒng)的活動進行報告。

(5)top:實時顯示系統(tǒng)中各個進程的資源占用狀況。

3.2Perf

Perf是內置于Linux內核源碼樹中的性能剖析(profiling)工具。它基于事件采樣原理,使用了許多Linux跟蹤特性,可用于行函數(shù)級與指令級的性能瓶頸的查找與熱點代碼的定位,。

(1)Perftop:實時顯示系統(tǒng)/進程的性能統(tǒng)計信息

常用參數(shù)

-e:指定性能事件

-a:顯示在所有CPU上的性能統(tǒng)計信息

-C:顯示在指定CPU上的性能統(tǒng)計信息

-p:指定進程PID

-t:指定線程TID

-K:隱藏內核統(tǒng)計信息

-U:隱藏用戶空間的統(tǒng)計信息

-s:指定待解析的符號信息

(2)Perfstat:分析系統(tǒng)/進程的整體性能概況。

常用參數(shù):

-e:選擇性能事件

-i:禁止子任務繼承父任務的性能計數(shù)器。

-r:重復執(zhí)行n次目標程序,并給出性能指標在n次執(zhí)行中的變化范圍。

-n:僅輸出目標程序的執(zhí)行時間,而不開啟任何性能計數(shù)器。

-a:指定全部cpu

-C:指定某個cpu

-A:將給出每個處理器上相應的信息。

-p:指定待分析的進程id

-t:指定待分析的線程id

(3)Perfrecord:記錄一段時間內系統(tǒng)/進程的性能時間。

常用參數(shù):

-e:選擇性能事件

-p:待分析進程的id

-t:待分析線程的id

-a:分析整個系統(tǒng)的性能

-C:只采集指定CPU數(shù)據(jù)

-c:事件的采樣周期

-o:指定輸出文件,默認為perf.data

-A:以append的方式寫輸出文件

-f:以OverWrite的方式寫輸出文件

-g:記錄函數(shù)間的調用關系

(4)PerfReport:讀取perfrecord生成的數(shù)據(jù)文件,并顯示分析數(shù)據(jù)。

常用參數(shù):

-i:輸入的數(shù)據(jù)文件

-v:顯示每個符號的地址

-d:只顯示指定dos的符號

-C:只顯示指定comm的信息(Comm.觸發(fā)事件的進程名)

-S:只考慮指定符號

-U:只顯示已解析的符號

-g[type,min,order]:顯示調用關系,具體等同于perftop命令中的-g

-c:只顯示指定cpu采樣信息

-M:以指定匯編指令風格顯示

–source:以匯編和source的形式進行顯示

使用perf對程序進行函數(shù)調用的關系分析后,統(tǒng)計函數(shù)的調用次數(shù),算出百分比,可以得到進程運行的可信數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1perf的函數(shù)調用分析結果

圖中第一列表示函數(shù)的子函數(shù)執(zhí)行占用的CPU比例,第二列表示函數(shù)執(zhí)行占用的CPU比例,第三列表示函數(shù)所在的DSO,第四列表示函數(shù)名。通過使用perf工具,可以方便地得到定位程序的熱點代碼,以指導程序性能瓶頸的優(yōu)化。

但是這種結果查看函數(shù)之間的調用關系十分不方便,可以使用一些腳本生成火焰圖(FlameGraph)來直觀地表示函數(shù)調用關系。

圖2火焰圖

火焰圖使用SVG的圖像格式進行存儲,方便用戶與圖像進行交互?;鹧鎴D中的函數(shù)方塊的長度越長,那么表示執(zhí)行該函數(shù)的CPU時間越長?;鹧鎴D的底部為父函數(shù),上方為它的子函數(shù)。通過火焰圖的形式,函數(shù)調用的關系以及CPU占用比都更加直觀地呈現(xiàn)出來。

3.3VTune

VTune是Intel公司開發(fā)的的一個功能十分強大的應用程序性能分析軟件,包括尋找軟件性能熱點、線程性能檢測、CPU利用率、IO負載監(jiān)測等功能,還提供豐富的UI界面供用戶操作,簡單易上手。

VTune提供了本地連接、遠程連接、安卓設備連接等多種方式來對不同的應用程序進行測試,還提供PerformanceSnapshot、Hotpots、MicroarchitectureExploration、Threading和IO等不同方面的性能分析模塊(圖3)。

圖3VTune性能分析模塊

用戶使用VTune進行模塊分析后,可以通過Summary、Bottom-up、Caller/Callee、Top-downTreehePlatfom5個選項框查看性能分析結果(圖4)。

圖4Hotspots分析結果

Summary:顯示有關整個應用程序執(zhí)行的統(tǒng)計信息,以分析CPU時間和處理器利用率。

Bottom-up:在自下而上的樹中顯示熱點函數(shù),每個函數(shù)的CPU時間和CPU利用率。

Top-downTree:顯示調用樹中的熱點函數(shù),僅函數(shù)的性能指標(不包括子函數(shù))以及函數(shù)及其子函數(shù)的總性能指標。

Caller/Callee:顯示所選函數(shù)的父函數(shù)和子函數(shù)。

Platform:提供有關CPU和GPU利用率,幀速率,內存帶寬和用戶任務的詳細信息。

(1)PerformanceSnapshot

該功能模塊能夠對應用程序進行總體的分析(圖4),包括IPC、GFLOPS、CPU頻率、CPU核心利用率、微架構使用率、內存使用率等指標等,但只能給出一個總體的數(shù)值,要分析各個函數(shù)對CPU的占用時間等詳細數(shù)值要進行更加詳細的分析,一般進行性能分析時,首先進行這個模塊的分析。

圖5PerformanceSnapshot分析結果示意圖

(2)Hotpots

Hotspots分析可以了解應用程序流程,并確定獲得大量執(zhí)行時間的代碼段(熱點),這是用戶進行算法分析的起點。熱點分析有兩種基于采樣的收集模式:用戶模式采樣會產生更高的開銷,但不需要采樣驅動程序即可進行收集;基于硬件事件的采樣,可以提供最小的收集開銷,但需要安裝采樣驅動程序或Perf。在用戶模式采樣中,收集器不會收集系統(tǒng)范圍內的性能數(shù)據(jù),而是只關注您的應用程序。硬件基于事件的采樣模式是基于硬件基于事件的采樣收集,分析當前系統(tǒng)上運行的所有進程,提供關于整個系統(tǒng)性能的CPU時間數(shù)據(jù)。

在進行Hotspots分析后,可以查看Bottom-up視圖下的熱點函數(shù),雙擊函數(shù)即可對源碼以及匯編代碼進行分析。

圖6源碼和匯編代碼分析圖

(3)Threading

Threading分析可以用于探索CPU利用率低下的原因,相較于其他模塊,它顯示了全部的線程數(shù)量,以及各個線程的等待時間以及使用時間(圖7),使用戶能夠更好地把握各個線程之間的切換情況。通過這些信息,用戶可以清晰地觀察工作線程的實際執(zhí)行過程,了解程序的實際執(zhí)行邏輯,明確各個線程的工作狀態(tài)與預期是否有出入。

圖7Summary視圖下的CPU利用率分析圖

(4)I/O

I/O模塊能夠分析設備的PCIeI/O帶寬消耗,DirectorI/O技術和內存映射I/O流量、內存帶寬消耗Intel?UPI帶寬消耗以及軟件數(shù)據(jù)平面利用率,以在硬件和軟件級別上定位I/O密集型應用程序的性能瓶頸。

4、結束語

隨著業(yè)務的日漸復雜,程序性能優(yōu)化儼然成為了每一位技術人的必修課,而程序的性能調優(yōu)工作又是一個十分復雜的工作。而掌握一些常用的系統(tǒng)性能調優(yōu)工具的使用,能更好地剖析程序,迅速而準確的找到性能熱點,以指導性能瓶頸問題的解決方案設計。
責任編輯人:CC

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