NXP i.MX8系列平台开发讲解 - 5.4 调试篇 - 掌握perf 工具调试(一)

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文章目录

目录

掌握perf 工具调试(一)

1. Perf 工具介绍

1.1 Perf 工作原理

1.2 Perf 工具基本功能

2. Perf 安装和基本使用

2.1 perf list

2.2 perf probe

2.3 perf stat

2.4 perf record/report

2.5 perf annotate

2.6 perf top

3. 总结

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掌握perf 工具调试(一)

在作为一个嵌入式软件工程师中，置身于Linux 当中，无论在在做系统方面还是应用方面，满足了基本功能需求，后期还需要去考量性能方面的问题，需要考虑自身添加的部分是否带来一些隐患，或者起到一定的优化，结构代码设计是合理等。

对于性能分析工具目前有很多种如下图，做过性能分析都看过这张图，本章节主要介绍Perf工具；

1. Perf 工具介绍

Perf（Performance Analysis Tools for Linux）是一个功能强大且灵活的性能分析工具，主要用于 Linux 系统中的性能调优和分析。它能够帮助开发者深入了解系统和应用程序的性能瓶颈，并提供详细的分析报告。作为嵌入式软件工程师，掌握和使用 Perf 工具可以显著提升开发效率和产品性能。

Perf 主要包含两个部分：

• perf 命令，用户空间的应用程序

• perf_events ，Linux 内核中的一个子系统

perf 命令：

Perf 命令是一个用户空间工具，具备 profiling、tracing 和脚本编写等多种功能，是内核子系统 perf_events 的前端工具。通过 perf 命令，用户可以设置和操作内核子系统 perf_events，完成系统性能数据的收集和分析。

perf_events 子系统：

内核子系统 perf_events 提供了性能计数器（hardware performance counters）和性能事件的支持。它采用事件驱动的方式，通过收集特定事件（如 CPU 时钟周期、缓存未命中等）来跟踪和分析系统性能。perf_events 于 2009 年被合并到 Linux 内核源代码中，成为内核的一个子系统。

1.1 Perf 工作原理

Perf 工具依赖于硬件性能计数器（Performance Monitoring Unit, PMU），这些计数器存在于现代 CPU 中，用于跟踪和记录各种硬件事件，如 CPU 周期、缓存命中/未命中、分支预测命中/未命中等。

工作过程：

• 用户通过输入perf命令进行设置相关的需要的时间类型；

• perf 定制读取计数器的值，获取采用数据，并将存放在ring bufferr中；

• 用户通过perf report 和 perf script 从ring buffer 中读取数据生成分析报告。

perf工具是一个功能强大且灵活的性能分析工具。它提供了多种功能。首先，perf可以用于收集各种系统性能数据，包括CPU利用率、内存使用情况、磁盘IO、网络传输等等。通过收集和分析这些数据，可以了解系统的瓶颈和性能瓶颈，并针对性地进行优化。

1.2 Perf 工具基本功能

事件采集：Perf 能够捕获各种硬件和软件事件，包括 CPU 周期、缓存命中/未命中、中断、系统调用等。

统计分析：对采集到的事件进行统计分析，生成性能报告。

热点分析：通过分析程序执行中的热点代码，定位性能瓶颈。

跟踪和测量：可以对系统调用、上下文切换、任务调度等进行详细跟踪和测量。

火焰图：生成可视化的火焰图，帮助开发者直观地理解性能问题。

2. Perf 安装和基本使用

在ubuntu 系统直接安装命既可：

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

假如是在嵌入式设备中，需要内核配置支持：

CONFIG_PERF_EVENTS=y

命令结构：

perf <command> [options] [arguments]

常用的命令语法：

#
perf stat 

2.1 perf list

perf list 该命令列出特定机器上可用的性能事件。不同电脑配置可能存在不一样的差异。

perf list
# 硬件事件
perf list hw
# 软件事件
perf list sw

事件类型一般有三种：

• Hardware events： 硬件事件是直接由处理器性能监视单元（PMU）提供的数据，通常用于分析处理器内部行为，比如L2 缓存命令等；

• Software events ： 软件事件由内核提供，用于跟踪操作系统级别的活动。

• Hardware cache events： 这些事件专门用于分析不同层次缓存的性能。

• Kernel PMU events ： 内核 PMU 事件由内核性能监视单元提供，专用于分析内核级别的行为。

2.2 perf probe

perf probe 允许用户动态地向正在运行的内核或用户空间应用程序中插入探针（probe）。这些探针可以用于监控特定函数的调用，记录函数的参数值和返回值等，用于性能分析和调试。perf probe 可以帮助开发人员深入了解程序的运行行为，从而识别和优化性能瓶颈。

perf probe [<options>] <probe-point> [<probe-point> ...]
​
# 例子：添加一个探针，在do_sys_open入口插入一个
perf probe do_sys_open
# 带参数的探针
perf probe 'do_sys_open filename'
​
# 查看已经添加的探针
perf probe -l
​
# 删除探针
perf probe -d do_sys_open
​
# 使用探针进行性能分析
# 例子：在系统运行 10 秒钟内记录 do_sys_open 函数的调用，并生成一份性能报告
perf record -e probe:do_sys_open -aR sleep 10
perf report

2.3 perf stat

perf stat 命令执行指定的命令，对命令执行期间发生的硬件和软件事件进行持续计数，并生成这些计数的统计数据。

Usage: perf stat [<options>] [<command>]
​
# 命令perf stat -p <pid>可以采集某一个进程的运行信息
perf stat -p 344
​
# 例子: zero文件读取输入写到空设备中，连续写888888个block：
perf stat -B dd if=/dev/zero of=/dev/null count=888888

2.4 perf record/report

perf record 命令进行采集数据，把数据写入数据文件从，后续可以通过perf report命令对数据进行分析。

perf stat 
​
# 例子：用1000统计频率，统计一个sleep 5秒过程中
perf record -a -F 1000 sleep 1
perf report

2.5 perf annotate

perf annotate 命令主要读取perf.data文件（由perf record命令创建）并显示注释后的代码。 可以去展现源代码和汇编代码的对应关系，帮助开发者找到性能瓶颈和热点代码。

 Usage: perf annotate [<options>]

# 注释汇编代码
perf annotate -i perf.data

2.6 perf top

perf top 是一个实时性能监控工具，类似于 top 命令，但专注于性能事件。它能够实时显示系统中消耗 CPU 周期最多的函数和代码段，帮助开发者快速定位性能瓶颈。

perf top [<options>]


# 监控指定进程的性能事件
perf top -p 12345

# 监控指定用户的性能事件
perf top -u john

# 监控特定事件
perf top -e cycles

3. 总结

本章节主要对Perf 的基本定义还有一些功能进行一个了解，主要用于在开发工程中调试，优化有一定的作用，下一个章节将以实际例子进行如何去使用它，分析开发过程中遇到的问题。

参考：

Linux Performance