Perf 工具与火焰图使用指南

参考资料

Brendan Gregg's Flame Graphs

FlameGraph GitHub

[一、Perf 工具介绍](#一、Perf 工具介绍 "#%E4%B8%80perf-%E5%B7%A5%E5%85%B7%E4%BB%8B%E7%BB%8D")
[二、Perf 工作模式](#二、Perf 工作模式 "#%E4%BA%8Cperf-%E5%B7%A5%E4%BD%9C%E6%A8%A1%E5%BC%8F")
[三、Perf 安装](#三、Perf 安装 "#%E4%B8%89perf-%E5%AE%89%E8%A3%85")
[四、Perf 使用方法](#四、Perf 使用方法 "#%E5%9B%9Bperf-%E4%BD%BF%E7%94%A8%E6%96%B9%E6%B3%95")
五、生成火焰图

一、Perf 工具介绍

perf 命令（performance 的缩写），是 Linux 系统提供的性能分析工具集，包含多种子工具，能够监测多种硬件及软件性能指标，包括 CPU、内存、IO 等，这些可监测指标我们称为 Event。

graph LR A[Perf 工具] --> B[Hardware Event] A --> C[Software Event] A --> D[Tracepoint Event] B --> B1[CPU 周期] B --> B2[Cache 缺失] B --> B3[分支预测] C --> C1[上下文切换] C --> C2[缺页异常] C --> C3[系统调用] D --> D1[内核跟踪点] D --> D2[Slab 分配]

二、Perf 工作模式

2.1 计数模式

记录 perf 执行过程中 event 的出现次数。

2.2 采样模式

在 perf 执行过程中，按照指定频率去采样 event，每次采样时，记录当前性能指标信息（CPU、进程 ID、运行栈等）。

⚠️ 注意：这种方式由于每次都记录信息，所以额外的资源消耗是比较大的，需要权衡采样频率。

flowchart TB subgraph 计数模式 A1[开始监控] --> A2[统计 Event 次数] --> A3[输出统计结果] end subgraph 采样模式 B1[开始监控] --> B2[按频率采样] --> B3[记录详细信息] --> B4[生成数据文件] end

三、Perf 安装

3.1 通过包管理器安装（Ubuntu）

对于 Ubuntu 等 Linux 系统发行版，都提供了对应的包，只要根据内核版本进行安装即可：

bash 复制代码

# 在 Ubuntu 下安装
sudo apt-get install linux-tools-common
sudo apt-get install linux-tools-"$(uname -r)"
sudo apt-get install linux-cloud-tools-"$(uname -r)"
sudo apt-get install linux-tools-generic
sudo apt-get install linux-cloud-tools-generic

💡 提示：Linux 系统可能无法找到和 kernel 版本相同的工具安装包，可以使用其他版本替换。

如果版本不匹配，可以手动创建软链接：

bash 复制代码

sudo rm /usr/bin/perf
sudo ln -s /usr/lib/linux-tools-4.15.0-163/perf /usr/local/bin/perf

3.2 从源码编译安装（推荐）

⚠️ 重要提示 ：不能直接 make，需要先安装某些依赖，否则会导致某些异常。缺少某些库请参照编译的提示进行安装。

内核资源：

内核官网：www.kernel.org/
内核下载地址：ftp.sjtu.edu.cn/sites/ftp.k...

编译步骤：

bash 复制代码

# 1. 下载源码
git clone git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git

# 2. 切换至对应的版本分支
cd linux
git branch -r      # 查看所有远程分支
git branch -a      # 查看所有分支
git checkout v5.4  # 切换到 v5.4 分支

# 3. 编译安装 perf
cd tools/perf
make

# 4. 测试 perf 是否成功安装
cd ../..
sudo perf top

flowchart LR A[下载源码] --> B[切换版本分支] B --> C[进入 tools/perf] C --> D[执行 make] D --> E[验证安装]

四、Perf 使用方法

4.1 perf list

查看当前系统支持的性能事件。使用 perf list 命令可以显示当前软硬件环境下支持的所有事件：

事件类型	说明	示例
Hardware Event	由 PMU 部件产生，在特定条件下探测性能事件	CPU 周期、分支指令、TLB 重填例外、Cache 缺失
Software Event	内核产生的事件，统计操作系统相关性能事件	系统调用次数、上下文切换次数、任务迁移次数、缺页例外次数
Tracepoint Event	内核中静态 tracepoint 触发的事件	slab 分配器的分配次数等

4.2 perf top

类似 top 命令，主要用于实时分析各个函数在某个性能事件上的热度，能够快速定位热点函数，包括应用程序函数、模块函数与内核函数，甚至能够定位到热点指令。

🔐 执行需要 root 权限

常用参数：

参数	说明
`-e <event>`	指明要分析的性能事件
`-p <pid>`	仅分析目标进程及其创建的线程

4.3 perf stat

用于统计 event 出现的次数（计数模式）。

默认事件说明：

事件名称	说明
`cpu-clock`	任务真正占用的处理器时间（ms）。`CPUs utilized = cpu-clock / time elapsed`，值高说明程序多数时间花费在 CPU 计算上而非 IO
`context-switches`	上下文的切换次数
`CPU-migrations`	处理器迁移次数。Linux 为维持多处理器负载均衡，会将任务从一个 CPU 迁移到另一个 CPU
`page-faults`	缺页异常次数。页面未建立、不在内存、映射关系未建立、TLB 不命中、权限不匹配等都会触发
`cycles`	消耗的处理器周期数
`instructions`	执行的指令数。IPC 为平均每个 CPU cycle 执行的指令数
`branches`	遇到的分支指令数
`branch-misses`	预测错误的分支指令数

参数说明：

bash 复制代码

-e <event>  # 指定性能事件（可以是多个，用 , 分隔）
-p <pid>    # 指定待分析进程的 pid（可以是多个，用 , 分隔）
-t <tid>    # 指定待分析线程的 tid（可以是多个，用 , 分隔）
-a          # 从所有 CPU 收集系统数据
-d          # 打印更详细的信息，可重复 3 次
            #   -d：L1 和 LLC data cache
            #   -d -d：dTLB 和 iTLB events
            #   -d -d -d：增加 prefetch events

4.4 perf record

采样模式，perf 收集采样信息并记录在文件中，可以离线分析。使用 perf report 解析收集的采样数据文件。

参数说明：

参数	说明
`-e`	选择性能事件
`-p`	待分析进程的 id
`-t`	待分析线程的 id
`-a`	分析整个系统的性能
`-C`	只采集指定 CPU 数据
`-F`	采样频率，每秒多少次
`-c`	事件的采样周期
`-o`	指定输出文件，默认为 `perf.data`
`-A`	以 append 的方式写输出文件
`-f`	以 OverWrite 的方式写输出文件
`-g`	记录函数间的调用关系

使用示例：

bash 复制代码

sudo perf record -e cpu-clock -g -p 2548
# -g         告诉 perf record 额外记录函数的调用关系
# -e cpu-clock  监控的指标为 cpu 周期 
# -p         指定需要 record 的进程 pid

💡 采样一段时间后，可以使用 Ctrl+C 停止命令，这时会生成 perf.data 文件（默认文件名）

4.5 perf report

主要用来分析 perf record 生成的 perf.data 文件。

五、生成火焰图

5.1 操作流程

flowchart LR A[perf record 采集数据] --> B[perf script 导出文本] B --> C[stackcollapse-perf.pl 折叠堆栈] C --> D[flamegraph.pl 生成 SVG] D --> E[浏览器查看 火焰图]

5.2 第一步：采样并记录性能数据

bash 复制代码

# 对 CPU 所有进程 99Hz 采集，执行 60 秒后采集完成，当前目录生成 perf.data 文件
perf record -F 99 -a -g -- sleep 60
perf script > out.perf

# 或者：对进程 id 181 采集，采集时间 60 秒，执行期间不要退出
perf record -F 99 -p 181 -g -- sleep 60
perf script > out.perf

5.3 第二步：用 FlameGraph 工具解析

工具仓库 ：github.com/brendangreg...

bash 复制代码

# 克隆工具仓库
git clone https://github.com/brendangregg/FlameGraph.git
cd FlameGraph

# 折叠堆栈信息
./stackcollapse-perf.pl out.perf > out.folded

# 生成火焰图
./flamegraph.pl out.folded > kernel.svg

5.4 解读火焰图

火焰图是基于 stack 信息生成的 SVG 图片，用来展示 CPU 的调用栈。

graph TB subgraph 火焰图结构 direction TB Y[Y 轴：调用栈深度 顶部是正在执行的函数 下方是父函数] X[X 轴：抽样数/执行时间 宽度越大执行时间越长 按字母顺序排列] end

关键要点：

元素	说明
方框	每个方框代表一个函数
宽度	方框越宽，代表执行时间越久
高度	楼层越高，代表调用栈越深
顶层	最顶层的函数是叶子函数（正在执行的函数）
平顶	如果有"平顶"（plateaus），表示该函数可能存在性能问题

🎯 分析技巧：火焰图就是看顶层的哪个函数占据的宽度最大。只要有"平顶"，就表示该函数可能存在性能问题，是优化的重点目标。

附录：快速参考卡片

bash 复制代码

# 实时查看热点函数
sudo perf top -p <pid>

# 统计性能事件
sudo perf stat -p <pid> -d

# 采样并生成火焰图（完整流程）
sudo perf record -F 99 -p <pid> -g -- sleep 60
perf script > out.perf
./stackcollapse-perf.pl out.perf > out.folded
./flamegraph.pl out.folded > flame.svg