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Perf

Introduction

Depuis la version 2.6.31, perf est intégré au noyau Linux

Il se compose de :

  • Back-end perf_events intégré au noyau
  • Une application perf s’exécutant en espace utilisateur

Le code source de l’application est dans les sources de Linux :

  • linux/tools/perf
  • Documentation sous linux/tools/perf/Documentation/examples.txt

Il permet d’enregistrer des événements du PMU, mais également des tracepoints du noyau

Fonctionnalités

Perf offre les fonctionnalités suivantes :

  • Génération d’arbres d’appel (call graph)
  • Collecte d’événements à partir des compteurs hardware disponible dans le PMU
  • Collecte de tracepoints du noyau Linux
  • Collecte d’événements en temps réel
  • Annotation de code source / instructions assembleur
  • Une documentation détaillée est disponible sur le wiki officiel

Tracepoints du noyau

Un tracepoint est un appel de fonction placé à un endroit stratégique dans le code du noyau Linux

Perf est capable d’activer les tracepoints :

  • Si le tracepoint est désactivé, celui-ci ne fera rien (si ce n’est gaspiller quelques cycles pour tester s’il est activé et utiliser quelques bytes dans l’exécutable)
  • S’il est activé, le tracepoint notifie celui qui l’a configuré

Les tracepoints permettent de tracer :

  • Les appels système
  • Les événements TCP/IP
  • Les opérations du file system
  • Les changements de contexte de l’ordonnanceur
  • …

Application utilisateur

L’application perf se décompose en plusieurs sous-commandes

La liste complète peut être obtenue en invoquant perf sans argument :

  • perf list : affiche la liste de tous les événements disponibles
  • perf stat : exécute une application et affiche des statistiques des compteurs d’événements
  • perf top : outil de profiling en temps réel similaire à la commande top, affichant les données des compteurs matériels
  • perf record : exécute une commande et enregistre des données de compteur dans un fichier de profiling nommé perf.data
  • perf report : lit un fichier perf.data créé avec la commande record et affiche les informations de profiling

Perf List

> perf list
List of pre-defined events (to be used in -e):
  cpu-cycles OR cycles                               [Hardware event]
  instructions                                       [Hardware event]
  cache-references                                   [Hardware event]
  cache-misses                                       [Hardware event]
  branch-instructions OR branches                    [Hardware event]
  branch-misses                                      [Hardware event]
  bus-cycles                                         [Hardware event]
  stalled-cycles-frontend OR idle-cycles-frontend    [Hardware event]
  ref-cycles                                         [Hardware event]

  cpu-clock                                          [Software event]
  task-clock                                         [Software event]
  ...

Perf Stat

> perf stat ./sudoku-resolver
Performance counter stats for './sudoku-resolver':

      17200.968507 task-clock (msec)         #    0.999 CPUs utilized          
             2,019 context-switches          #    0.117 K/sec                  
                21 cpu-migrations            #    0.001 K/sec                  
               150 page-faults               #    0.009 K/sec                  
    66,111,521,094 cycles                    #    3.843 GHz                    
    13,661,886,259 stalled-cycles-frontend   #   20.66% frontend cycles idle   
   <not supported> stalled-cycles-backend  
   166,918,528,666 instructions              #    2.52  insns per cycle        
                                             #    0.08  stalled cycles per insn
    12,592,498,548 branches                  #  732.081 M/sec                  
       368,812,217 branch-misses             #    2.93% of all branches        

      17.222153960 seconds time elapsed

Perf Record et Report

> perf record ./sudoku-resolver
[ perf record: Woken up 11 times to write data ]
[ perf record: Captured and wrote 2.669 MB perf.data (~116626 samples) ]

> perf report
Samples: 69K of event 'cycles', Event count (approx.): 66377473404
 84.68%  sudoku-resolver  sudoku-resolver    [.] isAvailable
 15.02%  sudoku-resolver  sudoku-resolver    [.] fillSudoku
  0.08%  sudoku-resolver  [i915]             [k] gen6_read32
  0.05%  sudoku-resolver  [kernel.kallsyms]  [k] _raw_spin_lock_irqsave

Perf Top

> perf top -e cpu-clock
PerfTop: 1579 irqs/sec  kernel:99.9% exact: 0.0% [4000Hz cpu-clock], (all, 4 CPUs)
------------------------------------------------------------------------------------

    99.73%  [kernel]          [k] arch_cpu_idle
     0.05%  [kernel]          [k] _raw_spin_unlock_irqrestore
     0.04%  [kernel]          [k] _raw_spin_unlock_irq
     0.03%  [kernel]          [k] tick_nohz_idle_exit
     0.01%  [kernel]          [k] __softirqentry_text_start
     0.01%  [kernel]          [k] copy_page
     0.01%  [kernel]          [k] tcp_write_timer_handler
     0.01%  [kernel]          [k] rcu_idle_exit
     0.01%  [kernel]          [k] __local_bh_enable_ip
     0.01%  [kernel]          [k] preempt_count_sub
     0.00%  [vdso]            [.] __kernel_clock_gettime
     0.00%  [kernel]          [k] put_ctx
     0.00%  perf              [.] 0x000000000008d2ac
     0.00%  [kernel]          [k] __schedule
     0.00%  [kernel]          [k] timespec64_add_safe
     0.00%  [kernel]          [k] el0_svc_common
     0.00%  libc-2.28.so      [.] __vsnprintf_chk
     0.00%  [kernel]          [k] unwind_frame

Résolution des symboles

Perf est capable de donner les informations de performances de manière symbolique, pour ceci il procède de la façon suivante

  • Les compteurs hardware donnent l’adresse de l’instruction exécutée
  • Perf associe ces adresses aux lignes de code correspondantes
  • Les symboles de debug contenus dans l’exécutable sont utilisés
  • Il faut donc que notre application soit compilée avec les symboles de debug (option -g du compilateur)
  • Perf peut également résoudre les symboles au niveau du noyau

Note sur les compteurs

Les compteurs matériels affichés par perf list sont des compteurs génériques.

Cependant chaque processeur dispose d’une liste de compteurs propre à son architecture.

Perf effectue un mapping entre les compteurs d’une architecture donnée vers ses compteurs génériques.

Par exemple, le compteur cycles est mappé :

  • Processeur Intel: UNHALTED_CORE_CYCLES (voir arch/x86/kernel/cpu/perf_event.c)
  • Processeur AMD: CPU_CLK_UNHALTED
  • Processeur ARM: voir arch/arm/kernel/perf_event_v7.c

Note sur la précision des événements

Perf est basé sur un échantillonnage par événement event-based sampling

  • Cela signifie que seulement une partie des événements (et donc des instructions) sont enregistrés (dès que le compteur génère une interruption)
  • On peut configurer l’échantillonnage de deux manières, en spécifiant:
    • le nombre d’occurrences d’événements (période) → option -c
    • le nombre de échantillons / secondes (fréquence) → option -F
  • À cause de l’échantillonnage, on peut avoir des cas spéciaux ou notre application se trouve synchronisée avec la collecte d’événements de perf
    • On aura ainsi des résultats faussés, ce sera toujours la même instruction qui sera enregistrée au moment de l’interruption du compteur.

De plus, le nombre de compteurs est limité par l’architecture

  • Si on configure plus d’événements (option -e) que de compteurs, perf fait du multiplexage entre les différents événements.

Plus d’informations sur le wiki de perf