如何在Linux中性能分析 Linux perf工具使用-linux运维-PHP中文网

答案：Linux perf工具是性能分析的核心工具，通过perf stat可快速获取系统或进程的宏观性能指标，如CPI、缓存命中率等，用于初步判断瓶颈类型；使用perf record -g可记录程序执行期间的调用栈信息，结合perf report或火焰图进行CPU热点分析，定位耗时函数；高级功能包括perf probe动态插入探针、perf sched分析调度行为、perf mem分析内存访问模式；使用时需注意安装对应内核版本的工具与调试符号包，确保符号解析正常，避免地址显示为十六进制；perf record有一定性能开销，生产环境需谨慎使用，且多数命令需root权限；性能分析应结合系统架构知识，关注等待事件如I/O、锁、内存延迟，并通过多次迭代逐步定位根本瓶颈。

如何在linux中性能分析 linux perf工具使用

在Linux系统里，当我们谈及性能分析，

perf

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工具无疑是兵器库里那把最趁手的利刃。它能够深入操作系统内核，利用硬件性能计数器和软件事件，为我们揭示程序运行时的种种秘密——从CPU周期消耗到缓存命中率，从系统调用频率到I/O等待，几乎无所不包。用它，我们能精准定位性能瓶颈，让优化不再是盲人摸象。

解决方案

我的经验告诉我，要真正做好Linux下的性能分析，

perf

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是绕不开的基石。它不仅仅是一个工具，更是一种思维方式的延伸。它让你从宏观的系统负载，直接下探到微观的函数调用栈，甚至能洞察到CPU指令级的执行效率。我通常的流程是，先用

perf stat

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快速概览系统或特定进程的宏观指标，比如CPI（Cycles Per Instruction）或缓存命中率，这就像是做一次初步的体检。如果发现某些指标异常，比如CPI过高，或者缓存失效率惊人，那么我就知道问题可能出在CPU计算效率或内存访问模式上。接下来，我会毫不犹豫地祭出

perf record

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，配合

-g

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参数记录调用图，然后用

perf report

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或更直观的火焰图（Flame Graph）来可视化热点函数。这就像是拿着放大镜，在海量的执行路径中，精准地找出那些最耗时的代码片段。

Linux perf工具的安装与基本用法是什么？

说实话，

perf

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的安装在不同的Linux发行版上略有差异，但大体思路是一致的。以Debian/Ubuntu为例，你可能需要这样：

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

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这里

$(uname -r)

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会确保你安装的是与当前运行内核版本匹配的

perf

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工具。有时候，你还需要安装对应的内核调试符号包，比如

linux-image-$(uname -r)-dbg

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，这对于

perf

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解析函数名和行号至关重要，否则你看到的可能只是一堆十六进制地址，那分析起来简直是噩梦。

一旦安装好，

perf

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的基本用法就非常直观了。

perf stat <command>
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: 运行一个命令并统计其执行期间的各种性能事件。比如，
```
perf stat ls
```
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会告诉你
```
ls
```
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命令执行了多少CPU周期，多少指令，以及多少次缓存命中/缺失等。这就像是给你的程序做了一次“性能体检报告”。
perf record -g <command>
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: 这是我用得最多的命令之一。它会记录指定命令执行期间的性能数据，特别是调用栈信息（
```
-g
```
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参数），这些数据会存储在一个名为
```
perf.data
```
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的文件里。
perf report
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: 用来分析
```
perf.data
```
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文件。它会打开一个交互式界面，让你能浏览记录到的性能事件，按函数、模块或文件等维度进行排序和过滤，进而找出性能热点。
perf top
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: 实时显示当前系统或指定进程的CPU热点。它有点像
```
top
```
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命令，但更专注于CPU事件，能让你看到哪些函数正在消耗最多的CPU时间，非常适合快速诊断。

# 示例：查看ls命令的性能统计
perf stat ls

# 示例：记录一个简单C程序的性能数据，包括调用栈
# 假设你有一个名为my_program的C程序
# perf record -g ./my_program

# 示例：实时查看系统CPU热点
sudo perf top

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如何利用perf record和perf report进行CPU热点分析？

要深入分析CPU热点，

perf record

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和

perf report

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是黄金搭档。我的做法是，首先用

perf record

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收集数据。

-g

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参数是关键，它会记录完整的调用栈信息，这样你才能知道是哪个函数，以及通过哪个调用路径，最终导致了CPU的消耗。我通常还会加上

-F

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参数来指定采样频率，比如

-F 99

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表示每秒采样99次，这是一个经验值，既能保证足够的数据密度，又能避免采样点和系统时钟同步导致偏差。

# 假设我们要分析一个名为my_heavy_computation的程序
perf record -g -F 99 ./my_heavy_computation

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执行完毕后，会生成一个

perf.data

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文件。接着，就是

perf report

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的舞台了。

perf report

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perf report

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会打开一个curses界面的交互式报告。你会看到一个按百分比排序的列表，显示了各个函数、模块或符号占用的CPU时间比例。你可以按

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和

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键上下移动，按

Enter

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键深入查看某个函数的调用栈。例如，如果你看到某个

foo()

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函数占用了大量的CPU时间，进入它之后，你会看到是哪些父函数调用了

foo()

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，以及

foo()

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内部又调用了哪些子函数，它们各自的贡献比例是多少。这个过程就像剥洋葱，一层层地揭示出性能瓶颈的根源。

有时候，

perf report

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的文本界面可能不够直观，特别是当调用栈很深的时候。这时候，我就会求助于火焰图（Flame Graph）。虽然

perf

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本身不直接生成火焰图，但你可以用

perf script

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将

perf.data

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转换成可供火焰图工具处理的堆栈文本，然后再生成SVG格式的火焰图。火焰图以其直观的可视化方式，能让你一眼看出哪些代码路径是“火焰”最旺盛的地方，从而快速定位热点。

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perf stat如何帮助我快速评估系统性能瓶颈？

perf stat

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在我看来，就像是一个性能诊断的“快照”工具。它不会记录详细的调用栈，而是提供一系列高层次的性能计数器统计数据，帮助你快速判断系统或程序的宏观表现。当你对一个新程序或者一个系统服务进行初步性能摸底时，

perf stat

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是我的首选。

# 示例：统计一个Web服务器进程（PID为12345）的性能指标
sudo perf stat -p 12345 sleep 5 # 统计5秒钟

# 示例：统计整个系统在运行某个基准测试时的性能指标
perf stat -a ./my_benchmark_test

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perf stat

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的输出通常会包含很多指标，但有几个是我特别关注的：

cycles
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(CPU周期) 和 instructions
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(指令数)：这两个数据结合起来，可以计算出CPI（Cycles Per Instruction）。高CPI值（通常大于1）可能意味着CPU在等待数据（缓存缺失）、分支预测失败或者流水线停顿，这通常是性能不佳的信号。
cache-misses
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(缓存缺失) 和 cache-references
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(缓存引用)：这两个指标能让你计算出缓存命中率。如果缓存缺失率很高，说明你的程序频繁地从主内存而不是更快的CPU缓存中获取数据，这会严重拖慢速度。
branch-misses
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(分支预测失败)：CPU通过预测程序的分支走向来提高执行效率。如果预测失败，CPU就需要回滚并重新执行，导致性能下降。
context-switches
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(上下文切换)：过多的上下文切换可能意味着系统在进程/线程间切换过于频繁，导致CPU浪费在调度上而不是执行实际工作。
page-faults
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(页错误)：如果一个程序频繁地发生页错误，可能意味着它正在访问的内存页不在物理内存中，需要从磁盘加载，这会带来巨大的I/O开销。

通过这些指标，我可以在不深入代码细节的情况下，快速判断性能瓶颈的类型。比如，如果CPI高且缓存缺失率高，我会怀疑是数据访问模式有问题；如果分支预测失败率高，我会检查代码中的条件判断和循环结构；如果上下文切换多，我可能会关注线程模型或调度策略。这种高层次的评估，能为后续的深入分析指明方向，避免盲目地去优化代码。

在实际问题排查中，perf有哪些高级用法和注意事项？

perf

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的功能远不止于此，它还有很多高级用法，能帮助我们解决更复杂的性能问题。

一个我经常用到的高级特性是

perf probe

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。当你需要分析某个特定用户空间函数（即使它没有被调试符号导出）的执行情况，或者想在内核中某个特定点插入探测点时，

perf probe

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就派上用场了。你可以动态地在运行中的程序或内核中添加探针，然后用

perf record

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去收集这些探针触发的数据。

# 示例：在某个库函数（如libc的malloc）入口处添加探针
sudo perf probe -x /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 malloc
# 然后用perf record -e probe:malloc ... 来收集数据

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另一个值得一提的是

perf sched

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，它能帮助你分析调度器行为，比如进程/线程的等待时间、唤醒延迟等，对于解决多线程应用的性能问题非常有帮助。还有perf mem
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，专门用于分析内存访问模式，包括内存延迟、带宽利用率等。

然而，在使用

perf

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时，也有一些需要注意的事项：

符号解析：这是最常见的问题。如果你的程序没有调试符号，或者内核的调试符号没有安装，
```
perf
```
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就无法将十六进制地址解析成有意义的函数名和行号。这会让分析工作变得异常困难。所以，确保你的系统和被分析程序都安装了相应的调试符号包至关重要。
开销：
```
perf record
```
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在收集数据时会有一定的开销，特别是在高采样频率或记录大量事件时。在生产环境中使用时，需要谨慎评估其对系统性能的影响。
```
perf stat
```
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的开销相对较小。
权限：很多
```
perf
```
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命令需要root权限才能执行，因为它需要访问内核数据和硬件性能计数器。
内核版本兼容性：
```
perf
```
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工具通常与它所支持的内核版本紧密相关。如果你升级了内核，最好也更新你的
```
perf
```
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工具，以确保最佳的兼容性和功能。
数据解读：
```
perf
```
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输出的数据量往往很大，而且很多是原始的硬件计数器数据。解读这些数据需要一定的系统架构知识和经验。你不能仅仅看数字，更要结合程序的行为和系统的整体状况来理解。比如，高缓存缺失率可能不一定是坏事，如果程序本身就是随机访问大量数据，那可能是正常的。
迭代分析：性能分析不是一次性的任务，它是一个迭代的过程。你可能需要多次运行
```
perf
```
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，每次调整参数或关注不同的事件，逐步缩小问题范围，直到找到真正的瓶颈。