1 perf 简介

perf是 Linux 内核自带的性能分析工具，基于内核的 Performance Monitoring Unit（PMU）实现。它能够收集CPU、缓存、分支预测等硬件事件，以及内核和用户空间的各种软件事件。perf 支持采样（Sampling）、统计（Counting）、调用栈追踪（Call Graph）等多种模式。适用于性能瓶颈定位、热点函数分析、系统级调优等多种场景。

1.1 主要功能

统计性能事件（CPU使用率、缓存命中率等）
采样函数调用栈，定位热点代码
分析系统性能（进程、线程、内核模块等）
生成可视化报告

1.2 工作原理

perf 通过内核暴露的 perf_event_open 系统调用，与硬件PMU或内核 tracepoint 交互，收集事件数据。核心流程如下：

用户启动 perf ，指定监控事件和目标对象；
perf 设置事件监控，内核开始统计或采样；
事件触发时，相关数据被记录到内核缓冲区；
perf 工具从内核读取数据，生成报告或可视化结果。

1.3 核心概念

事件（Event）。分为硬件事件（cycles、instructions、cache-misses等）、软件事件（page-faults、context-switches等）、自定义 tracepoint。

统计（Counting）。记录事件发生的总次数，时和整体性能评估。

采样（Sampling）。定期或按事件阈值采集程序状态，用于热点定位。

调用栈（Call Graph）。perf 支持内核和用户空间的调用栈采集，帮助分析函数间的调用关系和耗时分布。

PMU（Performance Monitoring Unit）。现代CPU内置PMU，能高效统计低级硬件指令。perf通过PMU获取这些数据。

2 安装

先检查当前系统是否有 perf 工具：perf --version

如果没有则运行指令安装：

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

3 使用

3.1 perf stat —— 性能事件统计

统计程序运行期间的各种事件，时和宏观性能对比。

示例：

sudo perf stat -e cycles,instructions,cache-misses ./your_program

-e：指定要统计的事件
- cycles：CPU时钟周期数
- instructions：执行的指令数
- cache-misses：缓存未命中次数

3.2 perf record/report —— 采样/报告

采样（record）：采集程序运行时的采样数据（如PC、调用栈）。

报告（report）：对采样数据进行分析，展示热点函数、调用栈等信息。

测试代码：

#include <vector>
#include <iostream>

int ComputeSum(const std::vector<int>& data) {
  int sum = 0;
  for (int v : data) {
    sum += v;
  }
  return sum;
}

int main() {
  std::vector<int> numbers(10000000, 1);
  std::cout << "Sum: " << ComputeSum(numbers) << std::endl;
  return 0;
}

编译并采样：

g++ -g -O2 test-demo.cc -o test-demo
sudo perf record ./test-demo
sudo perf report

报告内容：

%：该符号在采样中的比例
Symbol：函数名
Shared Pbject：代码所在文件/库

分析长期运行的服务进程：

sudo perf record -p <pid> -g

sudo perf report

全系统采样，适合排查系统级性能瓶颈：

sudo perf record -a -g

sudo perf report

3.3 perf top —— 实时热点分析

实时显示当前系统或进程的热点函数

3.4 函数调用栈分析

sudo perf record -g ./your_program
sudo perf report

-g：开启调用栈采集，报告中可以查看函数之间的调用路径

-F <NUMBER>：指定采集频率，默认频率为 4000Hz

-p <PID>：指定进程

-t <TID>：指定线程

4 可视化 —— 火焰图（Flame Graph）

火焰图基于采样调用栈（如perf record -g采集的数据），统计各个调用路径出现的次数。每条“火焰”宽度表示耗时，层级表示调用链。

对某个程序采样：

sudo perf record -F 99 -g ./your_program
// -F 99 设置采样频率为99Hz
// -g 采集调用栈（Call Graph）

对整个系统采样：

sudo perf record -F 99 -a -g
// -a 表示全系统采样

采样后会生成 perf.data 文件，包含所有采样点的调用栈信息。

4.1 安装 FlameGraph 工具

FlameGraph 是一套Perl脚本，需要从github上克隆到本地。

下载：

git clone https://github.com/brendangregg/FlameGraph.git

4.2 火焰图生成步骤

1 使用 perf 采集调用栈数据

sudo perf record -F 99 -g ./your_program

2 生成脚本数据

sudo perf script -i /path/to/perf.data > out.perl

3 折叠调用栈

进入 FlameGraph 目录：

。

4 生成 SVG 火焰图

./flamegraph.pl out.folded > flamegraph.svg

步骤2,3,4可以使用管道连接：

sudo perf script -i /path/to/perf.data | ./stackcollapse-perf.pl | ./flamegraph.pl > flamegraph.svg

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