Linux下的系统性能调优工具,第 1 部分 应用程序

Perf Event 是一款随 Linux 内核代码一同发布和维护的性能诊断工具,由内核社区维护和发展。Perf 不仅可以用于应用程序的性能统计分析,也可以应用于内核代码的性能统计和分析。得益于其优秀的体系结构设计,越来越多的新功能被加入 Perf,使其已经成为一个多功能的性能统计工具集 。在第一部分,将介绍 Perf 在应用程序开发上的应用。

Perf 简介

Perf 是用来进行软件性能分析的工具。

通过它,应用程序可以利用 PMU,tracepoint 和内核中的特殊计数器来进行性能统计。它不但可以分析指定应用程序的性能问题 (per thread),也可以用来分析内核的性能问题,当然也可以同时分析应用代码和内核,从而全面理解应用程序中的性能瓶颈。

最初的时候,它叫做 Performance counter,在 2.6.31 中第一次亮相。此后他成为内核开发最为活跃的一个领域。在 2.6.32 中它正式改名为 Performance Event,因为 perf 已不再仅仅作为 PMU 的抽象,而是能够处理所有的性能相关的事件。

使用 perf,您可以分析程序运行期间发生的硬件事件,比如 instructions retired ,processor clock cycles 等;您也可以分析软件事件,比如 Page Fault 和进程切换。

这使得 Perf 拥有了众多的性能分析能力,举例来说,使用 Perf 可以计算每个时钟周期内的指令数,称为 IPC,IPC 偏低表明代码没有很好地利用 CPU。Perf 还可以对程序进行函数级别的采样,从而了解程序的性能瓶颈究竟在哪里等等。Perf 还可以替代 strace,可以添加动态内核 probe 点,还可以做 benchmark 衡量调度器的好坏。。。

人们或许会称它为进行性能分析的“瑞士军刀”,但我不喜欢这个比喻,我觉得 perf 应该是一把世间少有的倚天剑。

金庸笔下的很多人都有对宝刀的癖好,即便本领低微不配拥有,但是喜欢,便无可奈何。我恐怕正如这些人一样,因此进了酒馆客栈,见到相熟或者不相熟的人,就要兴冲冲地要讲讲那倚天剑的故事。

背景知识

有些背景知识是分析性能问题时需要了解的。比如硬件 cache;再比如操作系统内核。应用程序的行为细节往往是和这些东西互相牵扯的,这些底层的东西会以意想不到的方式影响应用程序的性能,比如某些程序无法充分利用 cache,从而导致性能下降。比如不必要地调用过多的系统调用,造成频繁的内核 / 用户切换。等等。方方面面,这里只是为本文的后续内容做一些铺垫,关于调优还有很多东西,我所不知道的比知道的要多的多。

性能相关的处理器硬件特性,PMU 简介

当算法已经优化,代码不断精简,人们调到最后,便需要斤斤计较了。cache 啊,流水线啊一类平时不大注意的东西也必须精打细算了。

硬件特性之 cache

内存读写是很快的,但还是无法和处理器的指令执行速度相比。为了从内存中读取指令和数据,处理器需要等待,用处理器的时间来衡量,这种等待非常漫长。Cache 是一种 SRAM,它的读写速率非常快,能和处理器处理速度相匹配。因此将常用的数据保存在 cache 中,处理器便无须等待,从而提高性能。Cache 的尺寸一般都很小,充分利用 cache 是软件调优非常重要的部分。

硬件特性之流水线,超标量体系结构,乱序执行

提高性能最有效的方式之一就是并行。处理器在硬件设计时也尽可能地并行,比如流水线,超标量体系结构以及乱序执行。

处理器处理一条指令需要分多个步骤完成,比如先取指令,然后完成运算,最后将计算结果输出到总线上。在处理器内部,这可以看作一个三级流水线,如下图所示:

图 1. 处理器流水线

图 1. 处理器流水线

指令从左边进入处理器,上图中的流水线有三级,一个时钟周期内可以同时处理三条指令,分别被流水线的不同部分处理。

超标量(superscalar)指一个时钟周期发射多条指令的流水线机器架构,比如 Intel 的 Pentium 处理器,内部有两个执行单元,在一个时钟周期内允许执行两条指令。

此外,在处理器内部,不同指令所需要的处理步骤和时钟周期是不同的,如果严格按照程序的执行顺序执行,那么就无法充分利用处理器的流水线。因此指令有可能被乱序执行。

上述三种并行技术对所执行的指令有一个基本要求,即相邻的指令相互没有依赖关系。假如某条指令需要依赖前面一条指令的执行结果数据,那么 pipeline 便失去作用,因为第二条指令必须等待第一条指令完成。因此好的软件必须尽量避免这种代码的生成。

硬件特性之分支预测

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