Linux2025q1: Perf Write-Up

perf_events

• 即 Perf，可以記錄硬體效能計數器、中斷、Page Fault 等事件。
• 取樣時，理想取樣頻率應該比待測事件發生的頻率高，然而 perf 取樣頻率存在上限 (~10000 Hz)，或者使用隨機取樣頻率
• 使用 perf 時，可以調整取樣頻率為如 97, 997, 9973 等質數，以避免取樣週期與事件發生週期一致，出現週期同調 (Lockstep)，而有錯誤的統計結果。例如可能造成部分事件永遠無法被觀察到，或某事件頻繁出現導致被誤認為是瓶頸。
• perf 測量事件時應盡可能精準，因為過多事件會導致通用效能計數器耗盡，會改成分時多工，可能使結果精確度下降。

在 perf 中，週期和頻率的意義與平常所學不同，在運用 Perf 分析程式效能並改善提到:

• 週期指的是從「開始」到「記錄樣本」之間，事件的發生次數。
• 目標頻率指的是 perf_events 每秒應該要剛好取得多少樣本。

TODO: 為甚麼 perf 的取樣頻率最好採用質數?這跟質數定理有關係?

Skid

有時，事件紀錄對應的指令會出現滑行 (skid) 的現象，這與 CPU 流水線會要求指令拆分成微指令 (Micro-Ops) 有關，這些微指令可能會被亂序執行。

Perf 的首次嘗試

• 系統規格參考此處
• 安裝 perf 流程和相關文件連結請參考運用 Perf 分析程式效能並改善

1. 使用 perf top 時出現以下畫面:
   

   透過以下指令確認 perf_event_paranoid 是否設定正確:

   ​​​​cat /proc/sys/kernel/perf_event_paranoid
   

   Ubuntu 24.04 的預設值是 4，可以透過以下指令暫時修改:

   ​​​​sudo sysctl kernel.perf_event_paranoid=<parameter>
   ​​​​# 作者設定成 -1
   

   另外若要檢測 cache miss 則還需要取消 kernel pointer 限制，將 kernel.kptr_restrict (當 >=1，會隱藏 kernel pointer 在 /proc 中)，執行以下:

   ​​​​sudo sh -c "echo 0 > /proc/sys/kernel/kptr_restrict"
   

Perf 的限制

因其本質為取樣測量，通常具有以下限制:

• 對 lockstep 不具備觀察能力。
• 當效能瓶頸跟執行順序有關 (例如 A-> B 效能比 B -> A 效能差)，無法很好地揭露這個問題。

Perf Cheat Sheet

可以參考 Brendan Gregg perf 筆記

以下列舉常用的 Perf 指令:

快速觀察

perf stat <elf-file-name>

# e.g.,
perf stat ./test

# 紀錄
perf record -F 99 -a -g --sleep 20
# 閱讀報告
perf report -n --stdio

CPU 快取缺失 (cache miss)

如何估算一個程式執行的最優時間?

Reference

• Performance Evaluation: perf, eBPF
• Brendan Gregg perf
• 運用 Perf 分析程式效能並改善