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初入源码-perf设计文档

爱谁谁

发布： 2025-04-26 13:22:00

原创

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大家好，我是程栩，一个专注于性能的大厂程序员，分享包括但不限于计算机体系结构、性能优化、云原生的知识。

本文是perf系列的第五篇文章，后续会继续介绍perf，包括用法、原理和相关的经典文章。

今天我们继续探讨perf，尝试在阅读源码的同时理解其工作原理。perf的用户态源码位于tools/perf目录下，通过调用perf_event_open系统调用来获取内核的支持，从而获取数据。

本文主要基于内核文档翻译而成，目录为：tools/perf/design.txt。该文档介绍了perf的部分设计，但关于perf_event_open的部分内容较为陈旧，请参考最新文档。

现代CPU中的性能计数器（performance counters）是特殊的硬件寄存器。这些寄存器在不影响内核或应用性能的情况下统计诸如指令执行、cache miss、分支预取失败等硬件事件。如果我们给它们传递具体的周期数，这些性能计数器也可以在计数到达该周期时触发中断，从而对此时CPU上运行的应用进行采样剖析（Profiling）。

Linux性能计数器子系统（Linux Performance Counter subsystem）提供了这些硬件能力的抽象（接口），可以帮助我们获取CPU、进程等维度的数据，并且在这些能力之上，提供了事件能力。同时，其提供了虚拟的64位计数器，无论底层硬件的位宽是多少，其都可以兼容。

性能计数器可以通过特殊的文件描述符（file descriptors）来进行访问，我们可以通过sys_perf_event_open系统调用来获取该文件描述符：

int sys_perf_event_open(struct perf_event_attr *hw_event_uptr, pid_t pid, int cpu, int group_fd, unsigned long flags);

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该系统调用会返回新的文件描述符。我们可以通过VFS相关的系统调用来访问，比如通过read()来读取计数器，fcntl()来设置模式等。

多个计数器可以被同时开启，此时他们可以被轮询访问。

当我们创建一个新的文件描述符的时候，我们需要传入perf_event_attr来提供相关配置信息：

struct perf_event_attr {
    __u64                   config;
    __u64                   irq_period;
    __u32                   record_type;
    __u32                   read_format;
    __u64                   disabled       :  1, /* off by default        */
                                inherit        :  1, /* children inherit it   */
                                pinned         :  1, /* must always be on PMU */
                                exclusive      :  1, /* only group on PMU     */
                                exclude_user   :  1, /* don't count user      */
                                exclude_kernel :  1, /* ditto kernel          */
                                exclude_hv     :  1, /* ditto hypervisor      */
                                exclude_idle   :  1, /* don't count when idle */
                                mmap           :  1, /* include mmap data     */
                                munmap         :  1, /* include munmap data   */
                                comm           :  1, /* include comm data     */
                                __reserved_1   : 52;
    __u32                   extra_config_len;
    __u32                   wakeup_events;  /* wakeup every n events */
    __u64                   __reserved_2;
    __u64                   __reserved_3;
};

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其中，config表示需要统计哪个计数器。config被切分为三个模块：

属性名	位数	地位
raw_type	1	最重要
type	7	次要
event_id	56	最不重要

如图所示：

初入源码-perf设计文档

如果raw_type等于1，那么这个性能计数器会对其他63位数据指向的性能计数器进行计数。这种编码取决于具体的机器。

如果raw_type等于0，那么type就会定义需要使用哪一种计数器：

enum perf_type_id {
    PERF_TYPE_HARDWARE  = 0,
    PERF_TYPE_SOFTWARE  = 1,
    PERF_TYPE_TRACEPOINT  = 2,
};

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如果选择了PERF_TYPE_HARDWARE，那么就会统计由event_id指向的硬件事件：

/* 
 * Generalized performance counter event types, used by the hw_event.event_id 
 * parameter of the sys_perf_event_open() syscall: 
 */
enum perf_hw_id {
    /* 
     * Common hardware events, generalized by the kernel: 
     */
    PERF_COUNT_HW_CPU_CYCLES  = 0,
    PERF_COUNT_HW_INSTRUCTIONS  = 1,
    PERF_COUNT_HW_CACHE_REFERENCES  = 2,
    PERF_COUNT_HW_CACHE_MISSES  = 3,
    PERF_COUNT_HW_BRANCH_INSTRUCTIONS = 4,
    PERF_COUNT_HW_BRANCH_MISSES  = 5,
    PERF_COUNT_HW_BUS_CYCLES  = 6,
    PERF_COUNT_HW_STALLED_CYCLES_FRONTEND = 7,
    PERF_COUNT_HW_STALLED_CYCLES_BACKEND = 8,
    PERF_COUNT_HW_REF_CPU_CYCLES  = 9,
};

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以上就是初入源码-perf设计文档的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！