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);
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;
};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：
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,
};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,
}; 
