Linux perf 指令

Linux perf 指令

perf 是 Linux 系统中一款功能强大的性能分析工具，集成了内核和用户空间的性能监控功能，用于诊断系统性能瓶颈、分析应用程序行为以及优化硬件资源利用。它是 Linux 内核提供的原生工具，广泛应用于系统管理员、开发者和性能工程师的工作中。perf 支持多种性能事件（如 CPU 周期、缓存未命中、系统调用），并提供采样、统计和跟踪等功能。结合其子命令和选项，perf 可实现从全局监控到代码级分析的全面性能诊断。

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📚 什么是 perf 指令？

概述

perf 是 Linux 内核提供的性能分析工具，集成在 linux-tools 软件包中，通常随内核源码分发。它通过访问硬件性能计数器（PMC）、内核跟踪点和用户态事件，提供系统和应用程序的性能数据。perf 由 Linux 内核开发者维护，支持大多数现代 Linux 发行版（如 Ubuntu、CentOS、Arch Linux）。perf 的核心功能包括性能采样（profiling）、事件统计、动态跟踪和调用栈分析，适用于 CPU、内存、I/O 和内核等性能分析场景。它的设计注重高效性和灵活性，能够从系统级到代码级提供细粒度洞察。

核心概念

• 性能事件（Events）：
  • 硬件事件：CPU 周期、指令数、缓存未命中。
  • 软件事件：上下文切换、页面错误。
  • 跟踪点事件：系统调用、调度事件。
  • 动态事件：kprobes、uprobes。
• 采样（Profiling）：
  • 定期记录程序计数器（PC），生成性能热点图。
• 统计（Counting）：
  • 累计事件发生次数，提供总量分析。
• 跟踪（Tracing）：
  • 记录事件的时间序列，分析动态行为。
• 调用栈（Call Stack）：
  • 捕获函数调用链，定位性能瓶颈。
• 性能计数器（PMC）：
  • 硬件提供的寄存器，记录低级事件。
• 子命令：
  • stat：事件统计。
  • record：采样数据。
  • report：分析采样结果。
  • trace：系统调用跟踪。
• 退出状态：
  • 成功：返回 0。
  • 失败（如权限不足）：返回非 0。

核心特点

• 多维度分析：支持硬件、软件和内核事件。
• 高效采样：低开销，适合生产环境。
• 灵活子命令：覆盖统计、采样和跟踪。
• 跨平台：支持 x86、ARM 等架构。
• 脚本集成：与 Python、Perl 等结合。
• 可视化支持：生成火焰图、热点图。

基本语法

perf [子命令] [选项] [命令]

参数说明

• 子命令：
  • stat：统计事件。
  • record：记录采样数据。
  • report：查看采样结果。
  • list：列出支持的事件。
  • trace：跟踪系统调用。
  • sched：调度分析。
  • lock：锁分析。
• 选项：
  • -e EVENT：指定事件（如 cycles）。
  • -p PID：监控特定进程。
  • -a：系统范围监控。
  • -g：捕获调用栈。
  • -F FREQ：采样频率。
  • -o FILE：输出文件。
  • –help：显示帮助。
• 命令：
  • 要监控的程序（如 ls、make）。
• 输出行为：
  • 根据子命令，输出统计、报告或数据文件。
  • 错误（如权限不足）输出到 stderr。

注意事项

• 权限要求：

  • 部分功能需 root 权限：

    sudo perf stat ls
    

  • 调整 /proc/sys/kernel/perf_event_paranoid：

    echo 0 | sudo tee /proc/sys/kernel/perf_event_paranoid
    

• 内核支持：

  • 要求 Linux 2.6.31+，推荐 4.x+。

• 硬件依赖：

  • PMC 依赖 CPU 型号（如 Intel、AMD）。

• 安装检查：

  • 确保安装：

    sudo apt install linux-tools-common linux-tools-$(uname -r)  # Ubuntu
    sudo dnf install perf  # CentOS
    

• 数据大小：

  • 采样数据可能占用大量磁盘。

• 安全性：

  • 谨慎在生产环境高频采样。

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🔧 perf 的常见用途

应用场景

• 性能瓶颈诊断：定位 CPU、内存或 I/O 问题。
• 代码优化：分析函数和指令级性能。
• 系统监控：观察全局或进程级行为。
• 内核调试：跟踪系统调用和调度。
• 锁分析：诊断多线程竞争。
• 硬件利用率：评估缓存和分支预测。

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🛠️ 基础用法与示例

准备工作

以下示例假设运行在 Bash shell（如 Ubuntu 24.04，当前时间为 2025年6月17日周二上午8:20 CST）。测试环境为标准 Linux 系统（4核 Intel CPU，16GB 内存），确保 perf 已安装（perf --version）。示例涉及 CPU 密集型程序、系统调用跟踪和采样分析，假设用户具有 root 权限。命令在终端运行，系统支持 UTF-8 编码。

检查 perf

perf --version

输出：

perf version 6.8.dist

安装 perf

sudo apt update
sudo apt install linux-tools-common linux-tools-$(uname -r)

创建测试程序

cat > /tmp/test.c <<EOF
#include <stdio.h>
int main() {
    for (long i = 0; i < 1000000000; i++) {
        volatile int x = i * i;
    }
    printf("Done\n");
    return 0;
}
EOF
gcc /tmp/test.c -o /tmp/test

示例 1：统计 CPU 事件

命令

sudo perf stat /tmp/test

说明

• 统计程序的默认性能事件（如 CPU 周期、指令）。

输出

 Performance counter stats for '/tmp/test':
         2,345.12 msec task-clock                #    0.999 CPUs utilized          
               123 context-switches          #    0.052 K/sec                  
                 2 cpu-migrations            #    0.001 K/sec                  
             1,234 page-faults               #    0.526 K/sec                  
     5,678,123,456 cycles                    #    2.421 GHz                    
     9,876,543,210 instructions              #    1.74  insn per cycle         
       123,456,789 branches                  #   52.627 M/sec                  
         1,234,567 branch-misses             #    1.00% of all branches        
       0.002346125 seconds time elapsed

示例 2：采样性能热点

命令

sudo perf record /tmp/test
sudo perf report

说明

• 记录采样数据并生成报告。

输出（报告部分）

Samples: 2K of event 'cycles', Event count (approx.): 5678123456
  Overhead  Command  Shared Object      Symbol
    99.12%  test     test               [.] main
     0.88%  test     libc.so.6          [.] __libc_start_main

示例 3：列出支持事件

命令

perf list

说明

• 显示可监控的事件。

输出（部分）

  cpu-cycles OR cycles                    [Hardware event]
  instructions                            [Hardware event]
  cache-misses                            [Hardware event]
  syscalls:sys_enter_open                 [Tracepoint event]

示例 4：系统调用跟踪

命令

sudo perf trace -e openat ls

说明

• 跟踪 openat 系统调用。

输出

     0.000 ls/12345 openat(AT_FDCWD, "/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
     0.012 ls/12345 openat(AT_FDCWD, "/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3

示例 5：监控特定进程

命令

/tmp/test &
sudo perf stat -p $!

说明

• 监控后台进程的性能。

输出

 Performance counter stats for process id '12345':
         2,350.45 msec task-clock                #    0.999 CPUs utilized          
               125 context-switches          #    0.053 K/sec                  
                 3 cpu-migrations            #    0.001 K/sec                  
             1,235 page-faults               #    0.525 K/sec                  

示例 6：自定义事件

命令

sudo perf stat -e cycles,instructions,cache-misses /tmp/test

说明

• 监控特定事件。

输出

 Performance counter stats for '/tmp/test':
     5,678,123,456 cycles                    #    2.421 GHz                    
     9,876,543,210 instructions              #    1.74  insn per cycle         
       123,456,789 cache-misses              #   52.627 M/sec                  
       0.002346125 seconds time elapsed

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🚀 常用子命令与功能

🔍 性能统计（stat）

选项	描述
-e EVENT	指定事件
-p PID	监控进程
-a	系统范围
-r N	重复运行 N 次

示例

sudo perf stat -e cycles -r 3 ls

📜 性能采样（record/report）

选项	描述
-F FREQ	采样频率
-g	捕获调用栈
-o FILE	输出文件

示例

sudo perf record -F 999 -g /tmp/test
sudo perf report -i perf.data

📁 事件跟踪（trace）

选项	描述
-e EVENT	跟踪事件
-p PID	跟踪进程

示例

sudo perf trace -e sched:sched_switch

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🌟 高级用法

概述

高级用法涉及动态跟踪、火焰图生成、锁分析和内核优化。

🛡️ 1. 动态跟踪（kprobes）

命令

sudo perf probe -a do_sys_open
sudo perf record -e probe:do_sys_open -a sleep 5
sudo perf report

说明

• 使用 kprobes 跟踪内核函数。

🔍 2. 火焰图生成

脚本

sudo perf record -F 99 -g /tmp/test
sudo perf script > out.perf
git clone https://github.com/brendangregg/FlameGraph
cd FlameGraph
./stackcollapse-perf.pl ../out.perf > out.folded
./flamegraph.pl out.folded > flame.svg

说明

• 生成可视化火焰图，定位热点。

🔄 3. 锁分析

命令

sudo perf lock record /tmp/test
sudo perf lock report

说明

• 分析多线程锁竞争。

⚡ 4. 调度分析

命令

sudo perf sched record sleep 5
sudo perf sched latency

说明

• 分析调度延迟。

🔐 5. 用户态跟踪（uprobes）

命令

sudo perf probe -x /tmp/test main
sudo perf record -e probe_test:main /tmp/test
sudo perf report

说明

• 跟踪用户程序函数。

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⚠️ 使用 perf 时的注意事项

1. 权限要求:

   • 调整 perf_event_paranoid：

     sudo sysctl -w kernel.perf_event_paranoid=0
     

2. 内核支持:

   • 检查内核版本：

     uname -r
     

3. 数据管理:

   • 清理采样数据：

     rm perf.data
     

4. 性能开销:

   • 降低采样频率：

     perf record -F 99
     

5. 安全性:

   • 限制 root 使用。

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🛠️ 高级技巧与实战案例

概述

以下是高级技巧和实战案例，展示 perf 的复杂应用。

🖥️ 案例 1：Web 服务器优化

命令

sudo perf record -F 999 -p $(pidof nginx) -g sleep 10
sudo perf report

说明

• 分析 Nginx 性能瓶颈。

📦 案例 2：数据库性能

命令

sudo perf stat -e cache-misses -p $(pidof mysqld) sleep 5

说明

• 监控 MySQL 缓存未命中。

🔒 案例 3：多线程调试

命令

sudo perf lock record ./multithread_app
sudo perf lock report

说明

• 诊断锁竞争。

📈 案例 4：系统监控

命令

sudo perf stat -a -e cycles,instructions sleep 5

说明

• 全局 CPU 使用分析。

🔧 案例 5：自定义脚本

脚本

#!/bin/bash
sudo perf record -F 99 -g "$@"
sudo perf script | ./FlameGraph/stackcollapse-perf.pl | ./FlameGraph/flamegraph.pl > flame.svg

说明

• 自动化火焰图生成。

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🔗 与其他工具结合

• 与 FlameGraph:

  perf script | stackcollapse-perf.pl | flamegraph.pl
  

• 与 strace:

  perf trace -e openat strace ls
  

• 与 gdb:

  perf record ./app; gdb ./app -c perf.data
  

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📝 总结

perf 是 Linux 系统中强大的性能分析工具，适用于系统优化、代码调试和内核分析。本文从基础到高级，结合详细示例和注意事项，全面介绍了 perf 的功能。无论是定位瓶颈、生成火焰图还是跟踪系统调用，perf 都能提供高效支持。

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