linux perf tool分析

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linux perf tool

Linux perf 是一个强大的性能分析工具，广泛用于内核与用户空间的性能剖析。其原理涉及 **PMU（Performance Monitoring Unit）**硬件事件收集、内核的 perf 子系统（perf_event）、以及用户态工具链。以下是对 perf 原理的系统性分析：

perf 总体架构

+-----------------------------+
|    perf (用户空间工具)     |
+-----------------------------+
             │
             ▼
+-----------------------------+
|      perf_event 内核模块    |
|  (drivers/perf/, kernel/events/) |
+-----------------------------+
             │
             ▼
+-----------------------------+
|   CPU Performance Counter   |
|   (PMU: Performance Monitoring Unit) |
+-----------------------------+

工作流程详解

事件来源

perf 支持多种事件：

硬件事件（HW）：
- cycles：CPU周期
- instructions：指令执行数
- cache-misses：缓存未命中
软件事件（SW）：
- cpu-clock：CPU时钟周期
- page-faults：页面错误
- context-switches：上下文切换次数
内核 Tracepoints
动态探针（Kprobe/Uprobe）
eBPF 支持的高级事件

事件注册与采样

用户执行如 perf record -e cycles ./app 时：

perf 用户工具通过 perf_event_open() 系统调用注册事件
内核 perf_event 框架建立 event 结构，设置采样参数（频率/周期/阈值）
内核分配 buffer（基于 mmap）用于用户态读取
设置中断处理（PMU 溢出触发）

采样过程

硬件事件发生达到设定阈值后：

PMU 触发中断（如 NMI）
perf_event 中断处理函数被调用
内核采集当前指令地址、寄存器、调用栈等上下文
写入到 mmap 环形缓冲区中（perf ring buffer）

数据收集与分析

perf record：收集采样数据（存在 .data 文件中）
perf report：对记录数据解码，呈现出热点函数、调用图等信息
perf top：实时分析性能热点

核心模块分析（内核）

perf_event_open 系统调用

int perf_event_open(struct perf_event_attr *attr,
                    pid_t pid, int cpu, int group_fd,
                    unsigned long flags);

pid=-1 表示采集当前进程
cpu=-1 表示采集当前 CPU
内核会构造 struct perf_event 并加入 perf_event_context

事件调度与 PMU 驱动

PMU 驱动位于：

arch/x86/events/intel/core.c （Intel）
arch/arm64/kernel/perf_event.c（ARM）

负责写入硬件寄存器：如 IA32_PERFEVTSELx, IA32_PMCx
控制采样阈值、中断使能等
支持硬件溢出中断回调

采样数据写入缓冲区

perf_event_ring_buffer 为每个 perf event 分配一段共享内存
用户态通过 mmap() 映射 ring buffer 到用户空间
perf 会在其中读取 sample event（含 PC, callchain, register 等）

关键结构体

struct perf_event：核心事件描述
struct perf_event_attr：用户空间传入参数
struct perf_sample_data：采样数据上下文
struct ring_buffer：采样数据缓存区

典型用法举例

查看热点函数

perf record ./app
perf report

实时分析（类似 top）

perf top

采样特定事件

perf record -e cache-misses ./app

采样内核事件

perf record -e sched:sched_switch -aR

与 eBPF 的结合（新趋势）

perf 可用于收集 BPF 程序的输出
perf buffer 也用于 bpf 程序 bpf_perf_event_output() 写入事件
perf + bpf tools（如 bpftools, bcc, bpftrace）形成更现代的性能分析平台

perf 的优势

特性	描述
精度高	依赖硬件 PMU，纳秒级别采样精度
低开销	NMI 中断采样不干扰主流程
事件灵活	支持硬件/软件/kprobe/uprobe/BPF
实时分析能力	`perf top`, `perf sched`, `perf trace`