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7.2 perf + FlameGraph 使用教程

工具简介​

perf​

perf 是 Linux 内核自带的性能分析工具，能够对系统或应用程序的运行时性能进行采样和分析。其核心功能包括：

  • CPU 使用率和函数调用栈采集
  • 热点函数识别与性能瓶颈定位
  • 系统调用、上下文切换及缓存命中率分析

官方文档：perf wiki

FlameGraph​

FlameGraph（火焰图）是 Brendan Gregg 提出的一种性能可视化方法，能够直观展示函数调用的 CPU 消耗情况。

图形特征：

  • X 轴：函数占用 CPU 时间比例（宽度越大，消耗越多）
  • Y 轴：调用栈层级（底部为入口函数，向上为调用链）
  • 方块宽度：表示函数执行时间或 CPU 消耗大小

准备工作​

安装 perf​

在大多数 Linux 发行版中，perf 随内核提供。可执行以下命令安装：

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

验证安装：

perf --version

安装完成后，需要调整内核配置以允许 perf 采样：

sudo sh -c 'echo "kernel.perf_event_paranoid=-1" >> /etc/sysctl.conf'
sudo sysctl -p

安装 FlameGraph​

FlameGraph 是 Brendan Gregg 写的一个 Perl 工具包，用来将 perf 采样数据可视化。

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

里面有几个主要脚本：

  • stackcollapse-perf.pl：将 perf 的原始栈信息折叠
  • flamegraph.pl：生成 SVG 火焰图
  • difffolded.pl：比较两次 profile 的差异火焰图

perf 数据采集​

系统级采样​

# 实时监控系统或程序的 CPU 使用情况，并显示函数调用栈
perf top --call-graph fractal

⚠️ 在 RISC-V 平台，perf list 输出的硬件事件可能不完全支持，需要通过 -e 指定可用硬件事件。详见 Bianbu 官方说明。

单命令性能分析​

# 使用 perf 统计工具运行 ls -lt 命令
sudo perf stat ls -lt

程序级采样​

假设目标程序为 my_program，采样命令示例：

perf record -F 99 -a -g -e hw-event ./my_program

参数解释：

  • -F 99：采样频率 99Hz（常见选择）
  • -a：全局采样（不加则只分析当前进程）
  • -g：收集调用栈
  • -e hw-event：采样事件，替换为支持的硬件事件
  • ./my_program：后面是要运行的程序

采样完成后会生成 perf.data 文件，可使用以下命令查看报告：

sudo perf report --call-graph none

示例 1：Fork 测试程序​

创建 fork.c，内容如下：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

void test_little() { for(int i=0,j;i<30000000;i++) j=i; }
void test_mmedium() { for(int i=0,j;i<60000000;i++) j=i; }
void test_high() { for(int i=0,j;i<90000000;i++) j=i; }
void test_hi() { for(int i=0,j;i<120000000;i++) j=i; }

int main() {
    int pid, result;
    for(int i=0;i<2;i++) {
        result=fork();
        if(result>0)
            printf("i=%d parent=%d current=%d child=%d\n", i, getppid(), getpid(), result);
        else
            printf("i=%d child parent=%d current=%d\n", i, getppid(), getpid());

        if(i==0) { test_little(); sleep(1); }
        else { test_mmedium(); sleep(1); }
    }
    pid=wait(NULL); test_high(); printf("pid=%d wait=%d\n", getpid(), pid);
    sleep(1);
    pid=wait(NULL); test_hi(); printf("pid=%d wait=%d\n", getpid(), pid);
    return 0;
}

编译：

gcc fork.c -o fork -g -O0

采样：

sudo perf record -F 99 -a -g -e cpu-clock ./fork

-e cpu-clock 用于指定采集 CPU 时钟事件，即每当 CPU 时钟滴答时记录一次采样。这是一种 软件事件，适用于大多数平台，包括 RISC-V，不依赖特定硬件性能计数器。

查看报告：

sudo perf report --call-graph none

输出如图所示：

fork-report

对已运行进程采样​

假设目标进程 PID 为 1234：

sudo perf record -F 99 -g -p 1234

采集过程中按 Ctrl+C 停止。

生成火焰图​

生成可读的调用栈​

perf script > out.perf

折叠调用栈​

./FlameGraph/stackcollapse-perf.pl out.perf > out.folded

生成火焰图​

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

用浏览器打开 flame.svg 就能交互式查看。

对于示例 1，生成的火焰图如下图所示：

火焰图解读​

  • X 轴：函数占用 CPU 的比例（越宽代表越耗时）。
  • Y 轴：调用栈层级（底部是入口函数，向上是调用链）。
  • 每个方块：一个函数。
  • 热点代码：宽方块表示占用 CPU 时间多，是优化重点。

例如：

  • 如果某个函数在底部很宽，说明它本身 CPU 占用高；
  • 如果某个函数在上面很宽，说明它被频繁调用（热点路径）。

差异火焰图​

差异火焰图用于比较优化前后性能。

  • 采集优化前后数据：：
perf script > before.perf
perf script > after.perf
  • 折叠：
./FlameGraph/stackcollapse-perf.pl before.perf > before.folded
./FlameGraph/stackcollapse-perf.pl after.perf > after.folded
  • 生成差异火焰图：
./FlameGraph/difffolded.pl before.folded after.folded | ./FlameGraph/flamegraph.pl > diff.svg

红色表示优化后 更耗时，蓝色表示 减少耗时。

常见问题​

  • 需要符号解析：安装 -dbg 包，否则火焰图只显示地址。

    sudo apt install libc6-dbg

  • 内核态函数没有名字：需要调试内核符号 linux-image-$(uname -r)-dbgsym

  • 频率过高影响性能：建议 -F 99 或 -F 199，太高会拖慢程序。