谁动了我的cpu——oprofile使用札记
2012-08-30 21:35 bangerlee 阅读(37130) 评论(4) 编辑 收藏 举报引言
cpu无端占用高？应用程序响应慢？苦于没有分析的工具？
oprofile利用cpu硬件层面提供的性能计数器(performance counter)，通过计数采样，帮助我们从进程、函数、代码层面找出占用cpu的"罪魁祸首"。下面我们通过实例，了解oprofile的具体使用方法。
常用命令
使用oprofile进行cpu使用情况检测，需要经过初始化、启动检测、导出检测数据、查看检测结果等步骤，以下为常用的oprofile命令。
初始化
- opcontrol --no-vmlinux : 指示oprofile启动检测后，不记录内核模块、内核代码相关统计数据
- opcontrol --init : 加载oprofile模块、oprofile驱动程序
检测控制
- opcontrol --start : 指示oprofile启动检测
- opcontrol --dump : 指示将oprofile检测到的数据写入文件
- opcontrol --reset : 清空之前检测的数据记录
- opcontrol -h : 关闭oprofile进程
查看检测结果
- opreport : 以镜像(image)的角度显示检测结果，进程、动态库、内核模块属于镜像范畴
- opreport -l : 以函数的角度显示检测结果
- opreport -l test : 以函数的角度，针对test进程显示检测结果
- opannotate -s test : 以代码的角度，针对test进程显示检测结果
- opannotate -s /lib64/libc-2.4.so : 以代码的角度，针对libc-2.4.so库显示检测结果
opreport输出解析
正如以上命令解析所言，不加参数的opreport命令从镜像的角度显示cpu的使用情况：
linux # opreport CPU: Core 2, speed 2128.07 MHz (estimated) Counted CPU_CLK_UNHALTED events (Clock cycles when not halted) with a unit mask of 0x00 (Unhalted core cycles) count 100000 CPU_CLK_UNHALT.........| samples | %| ------------------------ 31645719 87.6453 no-vmlinux 4361113 10.3592 libend.so 7683 0.1367 libpython2.4.so.1.0 7046 0.1253 op_test ⋯⋯
以上列表按以下形式输出：
samples | %|
-----------------------------------------------------
镜像内发生的采样次数 采样次数所占总采样次数的百分比 镜像名称
因我们在初始化时执行了"opcontrol --no-vmlinux"命令，指示oprofile不对模块和内核进行检测，因而在探测结果中，模块和内核一同显示成no-vmlinux镜像。输出中，libend.so和libpython2.4.so.1.0均为动态库，op_test为进程。以上采样数据表明，检测时间内，cpu主要执行内核和模块代码，用于执行libend.so库函数的比重亦较大，达到10％左右。
进一步地，我们可以查看到进程、动态库中的每个函数在检测时间内占用cpu的情况：
linux # opreport -l samples % image name app name symbol name 31645719 87.4472 no-vmlinux no-vmlinux /no-vmlinux 4361113 10.3605 libend.so libend.so endless 7046 0.1253 op_test op_test main ⋯⋯
以上输出显示消耗cpu的函数为libend.so库中的endless函数，以及op_test程序中的main函数。
进行oprofile初始化时，若我们执行opcontrol --vmlinux=vmlinux-`uname -r`，指定oprofile对内核和内核模块进行探测，在执行opreport查看检测结果时，内核和内核模块就不再显示为no-vmlinux，而是内核和各个内核模块作为单独的镜像，显示相应cpu占用情况。
使用opannotate从代码层看cpu占用情况
以上介绍了使用oprofile的opreport命令，分别从进程和函数层面查看cpu使用情况的方法。看到这里，有的同学可能有这样的疑问：使用opreport，我找到了消耗cpu的进程A，找到了进程A中最消耗cpu的函数B，进一步地，是否有办法找到函数B中最消耗cpu的那一行代码呢？
oprofile中的opannotate命令可以帮助我们完成这个任务，结合具备调试信息的程序、带有debuginfo的动态库，opannotate命令可显示代码层面占用cpu的统计信息。下面我们通过几个简单的程序实例，说明opannotate命令的使用方法。
首先，我们需要一个消耗cpu的程序，该程序代码如下：
//op_test.c extern void endless(); int main() { int i = 0, j = 0; for (; i < 10000000; i++ ) { j++; } endless(); return 0; }
该程序引用了外部函数endless，endless函数定义如下：
//end.c void endless() { int i = 0; while(1) { i++; } }
endless函数同样很简单，下面我们将定义了endless函数的end.c进行带调试信息地编译，并生成libend.so动态库文件：
linux # gcc -c -g -fPIC end.c linux # gcc -shared -fPIC -o libend.so end.o linux # cp libend.so /usr/lib64/libend.so
接着，带调试信息地编译op_test.c，生成op_test执行文件：
linux # gcc -g -lend -o op_test op_test.c
之后，我们开启oprofile进行检测，并拉起op_test进程：
linux # opcontrol --reset linux # opcontrol --start linux # ./op_test &
在程序运行一段时间后，导出检测数据，使用opannotate进行结果查看：
linux # opcontrol --dump linux # opannotate -s op_test /* * Total samples for file : "/tmp/lx/op_test.c" * * 7046 100.00 */ : int main() :{ /*main total : 7046 100.000 */ : int i = 0, j = 0; 6447 91.4987 : for (; i < 10000000; i++ ) : { 599 8.5013 : j++; : } : endless(); : return 0; :}
以上输出表明，在op_test程序的main函数中，主要消耗cpu的是for循环所在行代码，因该段代码不仅包含变量i的自增运算，还将i与10000000进行比较。
下面显示对自编动态库libend.so的检测结果：
linux # opannotate -s /usr/lib64/libend.so /* * Total samples for file : "/tmp/lx/end.c" * * 4361113 100.00 */ : void endless() : { : int i = 0; : while(1) : { 25661 0.6652 : i++; 4335452 99.3348 : } : }
查看c库代码占用cpu情况
以上使用opannotate，分别查看了应用程序代码、自编动态库代码的cpu占用情况，对于c库中的代码，我们是否也能查看其消耗cpu的情况呢？
在使用oprofile查看c库代码信息前，需要安装glibc的debuginfo包，安装debuginfo包之后，我们即可以通过opannotate查看到c库代码，以下展示了malloc底层实现函数_int_malloc的部分代码：
linux # opannotate -s /lib64/libc-2.4.so /* ----------------malloc--------------------- */ :Void_t * :_int_malloc( mstate av, size_t bytes ) :{ /* _int_malloc total: 118396 94.9249 */ ⋯⋯ : assert((fwd->size & NON_MAIN_ARENA) == 0); 115460 92.5709 : while((unsigned long)(size) < (unsigned long)(fwd->size)) { 1161 0.9308 : fwd = fwd->fd; : assert((fwd->size & NON_MAIN_ARENA) == 0); : } :}
在进行程序性能调优时，根据oprofile检测到的c库代码占用cpu的统计信息，可以判别程序性能瓶颈是否由c库代码引起。若oprofile检测结果显示cpu被过多地用于执行c库中的代码，我们可进一步地采用修改c库代码、升级glibc版本等方法解决c库引发的应用程序性能问题。
小结
本文介绍了使用oprofile工具从进程、函数和代码层面检测cpu使用情况的方法，对于代码层面，分别介绍了查看程序代码、自编动态库代码以及gblic代码cpu统计情况的方法，中间过程使用到opcontrol、opreport、opannotate三个常用的oprofile命令。
当系统出现cpu使用率异常偏高情况时，oprofile不但可以帮助我们分析出是哪一个进程异常使用cpu，还可以揪出进程中占用cpu的函数、代码。在分析应用程序性能瓶颈、进行性能调优时，我们可以通过oprofile，得出程序代码的cpu使用情况，找到最消耗cpu的那部分代码进行分析与调优，做到有的放矢。另外，进行程序性能调优时，我们不应仅仅关注自己编写的上层代码，也应考虑底层库函数，甚至内核对应用程序性能的影响。
关于oprofile工具可用于分析的场景，本文仅介绍了cpu使用情况一种，我们还可以通过oprofile查看高速缓存的利用率、错误的转移预测等信息，"opcontrol --list-events"命令显示了oprofile可检测到的所有事件，更多的oprofile使用方法，请参看oprofile manual。
Reference: oprofile manual
