Perf Profiler
by @duanery
使用perf-prof进行Linux系统问题分析。perf-prof是基于perf_event的系统级分析工具,事件在内存中实时处理,可长期运行。触发场景:(1) CPU使用率高、热点分析 (2) 进程状态异常(D/S状态多) (3) 延迟抖动、响应慢 (4) 内存泄露或增长异常 (5) 块设备IO慢 (6) 虚...
clawhub install perf-prof📖 About This Skill
name: perf-prof metadata: version: "0.1" source: https://github.com/OpenCloudOS/perf-prof.git description: 使用perf-prof进行Linux系统问题分析。perf-prof是基于perf_event的系统级分析工具,事件在内存中实时处理,可长期运行。触发场景:(1) CPU使用率高、热点分析 (2) 进程状态异常(D/S状态多) (3) 延迟抖动、响应慢 (4) 内存泄露或增长异常 (5) 块设备IO慢 (6) 虚拟机性能问题 (7) 事件聚合统计 (8) 自定义脚本分析。核心分析器:profile(CPU采样)、task-state(进程状态)、multi-trace(延迟分析)、kmemleak(内存泄露)、blktrace(IO延迟)、top/sql(聚合统计)、kvm-exit(虚拟化退出)、rundelay(调度延迟)、syscalls(系统调用耗时)、python(自定义脚本分析)。适用于:性能问题定位、内核/应用开发调试、学习理解Linux内核机制(调度、内存、IO、中断等)。English: Linux system performance analysis with perf-prof, a perf_event-based tool for real-time in-memory event processing. Triggers: high CPU usage, hotspot profiling, process state issues (D/S states), latency spikes, slow response, memory leak detection, memory growth, block device IO slowness, VM performance issues, event aggregation, custom script analysis. Key profilers: profile (CPU sampling), task-state (process state), multi-trace (latency analysis), kmemleak (memory leak), blktrace (IO latency), top/sql (aggregation), kvm-exit (virtualization exit), rundelay (scheduling delay), syscalls (syscall latency), python (custom scripting).
perf-prof 系统性能分析
概述
perf-prof 是一个Linux系统级性能分析工具,基于perf_event在内存中实时处理事件。本技能提供使用perf-prof分析系统问题的工作流程和方法。
安装
使用前先检查 perf-prof 是否已安装:
which perf-prof && perf-prof --version
如果系统中没有 perf-prof 二进制文件,需要询问用户确认是否可以下载源码并编译安装,然后执行以下步骤:
# 1. 下载源码
git clone https://github.com/OpenCloudOS/perf-prof.git
cd perf-prof2. 安装依赖包
yum install -y xz-devel elfutils-libelf-devel libunwind-devel python3-devel3. 编译
make4. 验证安装
./perf-prof --version
核心分析流程
第一步:确定问题类型
操作步骤:
1. 使用系统工具初步诊断(可选):
top -1 # 查看CPU使用率、进程状态
mpstat -P ALL 1 # 查看各CPU利用率
vmstat 1 # 查看内存、IO、CPU综合状态
iostat -x 1 # 查看磁盘IO
2. 根据决策树选择分析器:
系统问题
├── CPU相关
│ ├── CPU使用率高 → profile (采样分析)
│ ├── 进程运行时间统计 → top (sched_stat_runtime)
│ └── CPU上运行进程监控 → oncpu
├── 调度相关
│ ├── 进程状态分析(R/S/D) → task-state
│ ├── 调度延迟分析 → rundelay
│ └── 唤醒延迟分析 → multi-trace
├── 内存相关
│ ├── 内核内存泄露 → kmemleak
│ ├── 内存分配统计 → kmemprof
| ├── 缺页异常 → page-faults
| ├── 跟踪内存写入 → breakpoint
| └── 读取内核内存 → kcore
├── IO相关
│ └── 块设备延迟 → blktrace
├── 系统调用
│ └── 系统调用耗时 → syscalls
├── 虚拟化
│ └── KVM退出延迟 → kvm-exit
├── 硬件相关
| ├── 断点分析 → breakpoint
| └── 硬件状态 → tlbstat、llcstat、hwstat
├── 事件计数
| ├── 高频计数、微突发检测 → hrcount
| └── 低频计数 → stat
├── 通用事件追踪 → trace
└── 自定义脚本分析 → python
第一步(续):问题定界 - 用户态 vs 内核态 - Guest vs Host
如有必要,在选择具体分析器之前,先通过定界分析确定问题发生在用户态还是内核态,Guest还是Host:
定界分析路径:
问题定界
├── 方法1:syscalls分析系统调用耗时
│ ├── 系统调用耗时高 → 内核态问题 → 进入内核分析路径
│ └── 系统调用耗时低 → 用户态问题 → 进入用户态分析路径
│
├── 方法2:task-state分析进程运行状态
| ├── R状态(Running)占比高 → 用户态CPU消耗 → 进入用户态分析路径
| ├── S状态(Sleeping)占比高 → 等待唤醒 → 分析唤醒源
| ├── D状态(Disk Sleep)占比高 → IO/锁等待 → 进入内核分析路径
| └── RD状态(Runnable)占比高 → 调度延迟 → 进入内核分析路径
|
└── 方法3:kvm-exit分析虚拟化退出耗时
├── 虚拟化退出耗时高 → Host问题 → 进入内核分析路径
└── 虚拟化退出耗时低 → Guest问题 → 进入Guest内分析
内核态问题分析路径:
# 1. 调度延迟分析
2. 系统调用深入分析:哪个系统调用慢,系统调用内发生的进程切换等
3. IO延迟分析
4. 内核热点采样
5. 虚拟化退出耗时分析
用户态问题分析路径:
# 1. 用户态CPU热点采样
2. 用户态函数追踪(添加uprobe点)
3. 用户态函数耗时分析
4. 业务层面分析:结合业务日志、应用metrics等
第二步:选择分析器(可多选)
根据问题类型选择对应分析器,必要时选择多个分析器相互验证。
以下分析器有文档,参考references/目录下的详细文档,优先通过第三步获取概要信息及示例:
R,S,D,T,t,I,RD)的耗时分布以下分析器无文档,必须通过第三步获取概要信息及示例:
#### 功能分类
按功能领域分类
profile,cpu-util,oncpukmemleak,kmemprof,page-faultstask-state,rundelay,oncpublktracekvm-exit,kvmmmu,bpf:kvm_exithwstat,llcstat,tlbstat,split-lock,ldlat-stores,ldlat-loads,breakpointirq-off,watchdogsql,python,traceexpr,misc,kcore,list,usdt,help按分析技术分类
profilehrcount,stat,percpu-stat,hrtimer,num-disthrcount
- 低精度计数:stat
top,sqlmulti-trace,nested-tracerundelay
- 系统调用耗时:syscalls
- IO延迟:blktrace
- 虚拟化退出耗时:kvm-exit
task-state,oncputask-state
tracepythonbreakpointmulti-trace,trace,python按事件依赖程度分类
misc,kcore,list,usdt,helptlbstat,llcstat,hwstat,breakpoint,kvmmmu,irq-off,page-faults,ldlat-stores,ldlat-loads,oncpu,blktrace,kvm-exit,percpu-stat,watchdog,task-state,cpu-util,profile,split-lockexpr,stat,hrcount,event-care,hrtimer,rundelay,nested-trace,syscalls,kmemprof,multi-trace,top,num-dist,kmemleak,trace,sql,pythonebpf类
bpf:kvm_exit
第三步:查看帮助与文档
操作步骤:
1. 查看分析器帮助:
perf-prof -h
帮助信息包含:
- 概要信息(关键原理)
- EXAMPLES示例(关键参考)
- 支持的选项参数及其含义
- 是否需要-e事件选项2. 阅读分析器文档:
参考references/目录下对应的md文档,获取详细用法和典型场景。
3. 判断事件需求:
分析器类型判断:
├── 内建事件类(无需-e选项)→ 直接跳转第六步
│ 例如:profile, task-state, blktrace, kvm-exit, oncpu
└── 自定义事件类(需要-e选项,或其他需要事件的选项)→ 继续确定事件选项要求
例如:trace, top, multi-trace, kmemleak, sql
4. 确定事件选项要求
- 使用 -e, --event 选项指定事件
- 只允许一个-e选项,多个事件使用逗号分隔,事件顺序无要求。
- 允许多个-e选项,多个-e选项的顺序有不同含义。例如:multi-trace, rundelay, syscalls, kmemprof
- -e选项使用固定事件(属性可调,可扩充untraced事件)。例如:rundelay
- -e选项使用固定事件(过滤器可调)。例如:syscalls
- 使用 --alloc/--free 选项指定事件。只有kmemleak使用
示例:
# 查看profile分析器帮助
perf-prof profile -h查看top分析器帮助(需要-e选项)
perf-prof top -h
第四步:选择事件
操作步骤:
1. 列出系统事件:
# 列出所有tracepoint事件
perf-prof list # 按类别筛选事件
perf-prof list | grep "^sched:" # 调度相关
perf-prof list | grep "^kmem:" # 内存相关
perf-prof list | grep "^block:" # 块设备相关
perf-prof list | grep "^syscalls:" # 系统调用相关
2. 查看事件字段:
# 查看事件的字段定义(用于配置过滤器和表达式)
perf-prof trace -e help # 示例:查看sched_wakeup事件字段
perf-prof trace -e sched:sched_wakeup help
3. 常用事件速查: | 分析场景 | 推荐事件 | 关键字段 | |---------|---------|---------| | 进程唤醒 | sched:sched_wakeup | pid, comm, prio, target_cpu | | 进程切换 | sched:sched_switch | prev_pid, next_pid, prev_comm, next_comm | | 运行时间 | sched:sched_stat_runtime | pid, comm, runtime | | 内存分配 | kmem:kmalloc | ptr, bytes_alloc, call_site | | 内存释放 | kmem:kfree | ptr | | 软中断 | irq:softirq_entry/exit | vec | | 系统调用 | raw_syscalls:sys_enter/exit | id |
4. 动态探针(当系统事件不满足需求时):
# kprobe - 内核函数探针
-e 'kprobe:try_to_wake_up' # kretprobe - 内核函数返回探针
-e 'kretprobe:try_to_wake_up'
# uprobe - 用户态函数探针,二进制路径带有'/',必须使用双引号
-e 'uprobe:func@"/path/to/binary"'
# uretprobe - 用户态函数返回探针,二进制路径带有'/',必须使用双引号
-e 'uretprobe:func@"/path/to/binary"'
5. 新增动态探针(当系统事件不满足要求且动态探针无法使用或需要增加参数时):
通过 /sys/kernel/debug/tracing/kprobe_events 和 /sys/kernel/debug/tracing/uprobe_events 文件手动新增探针。
判断新增的动态探针是内核态的还是用户态的。
详细文档: - kprobe_events.md - 内核态探针 - uprobe_events.md - 用户态探针
6. 延迟分析:选择事件原则: - 确定延迟路径的起点事件、中间事件(可以没有)、终点事件 - 确定延迟路径的上下文:所选事件是在线程上下文还是CPU上下文执行
第五步:配置事件过滤器和属性
根据分析需求,使用下方 事件选择语法 配置事件。
配置流程:
1. 确定事件格式:参考 基本格式 选择事件类型
- tracepoint事件:sys:name
- 动态探针:kprobe:func、uprobe:func@"file"
2. 配置过滤器(可选,内核态执行): 参考 过滤器语法 和 Event_filtering.md
# 格式:sys:name/filter/
-e 'sched:sched_wakeup/pid>1000 && prio<10/'
-e 'sched:sched_wakeup/comm~"java*"/'
- 事件有过滤器时,-e选项必须要使用单引号。避免与bash的运算符冲突。3. 配置属性(可选,用户态处理): 参考 事件属性 选择所需属性
# 格式:sys:name/filter/ATTR/ATTR/
-e 'sched:sched_wakeup//stack/' # 无过滤器,有属性
-e 'sched:sched_wakeup/pid>1000/stack/alias=wk/' # 过滤器 + 属性
4. 配置表达式(可选,复杂计算): 参考 expr.md
# 1. 查看expr帮助
perf-prof expr -h # 2. 属性值使用表达式
-e 'sched:sched_stat_runtime//top-by=(runtime/1000)/'
-e 'sched:sched_wakeup//key=(prio<100?pid:0)/'
- 事件属性使用表达式时,必须使用括号包含整个表达式部分。避免除法运算符被作为属性分隔符。5. 延迟分析:配置key属性(可选,仅用于multi-trace): key属性用来关联延迟路径上的事件。只有相同key的事件才可以计算延迟。
Key选择的本质问题:你希望延迟路径上的事件如何关联在一起?
从事件上下文理解Key选择
每个事件发生时,都有两个基本上下文: - CPU上下文:事件发生在哪个CPU上 - 线程上下文:事件发生在哪个线程上(common_pid)
核心问题:延迟路径上,上下文是否变化?
| 上下文变化情况 | Key选择 | 典型场景 |
|---------------|----------|----------|
| 同CPU、同线程 | 默认(按CPU)或不指定 | 软中断、hardirq |
| 可能跨CPU、同线程 | -k common_pid 或 -p/-t | 系统调用(线程可能迁移) |
| 跨线程、可能跨CPU | key=资源标识 | 调度延迟、跨进程通信 |
Key的作用 = 在"上下文可能变化"的情况下,找到"不变的关联标识"
Key选择判断流程
问:延迟路径上的事件,线程上下文是否相同? 是 → 问:CPU上下文是否相同?
│
├── 是 → 不需要key(默认按CPU)
│ 例:软中断、本地定时器
│
└── 否 → key=common_pid,需要 --order
例:系统调用(线程可能迁移)
否 → 必须用"业务字段"作为key,需要 --order
问:什么东西从起点事件"传递"到终点事件?
│
├── 进程ID → key=pid相关字段
│ 例:调度(pid → next_pid)
│
├── 资源指针 → key=ptr/address
│ 例:内存分配(kmalloc.ptr → kfree.ptr)
│
└── 请求标识 → key=request_id/bio
例:I/O请求(提交 → 完成)
注意:
- rundelay不需要设置key属性,内部会自动设置
- syscalls不需要设置key属性,内部会自动设置
- key值只能是一个u64的数值,需要多个字段组合成一个复合的key时,需要使用表达式常用属性速查: | 属性 | 用途 | 适用分析器 | |-----|------|-----------| | stack | 启用调用栈 | 所有支持堆栈的分析器 | | alias=str | 事件别名 | top, multi-trace, sql | | key=EXPR | 关联键 | multi-trace, top | | top-by=EXPR | 排序字段 | top | | ptr=EXPR | 指针字段 | kmemleak | | size=EXPR | 大小字段 | kmemleak, kmemprof |
完整属性列表参考 事件属性。
第六步:执行分析与输出解读
通用选项参数:
-m, --mmap-pages # perf ringbuffer大小(页数)
-i, --interval # 输出间隔
-C, --cpus # 监控指定的cpu
-p, --pids # 监控指定的进程
-o, --output # 把stdout/stderr重定向到文件
--watermark <0-100> # 唤醒perf-prof的水位,设置可降低工具自身的cpu消耗
--perins # 按每个实例输出,不同的分析器实例的含义可能不同。一般:-p/-t选项实例为线程; 其他(-C选项等)实例为CPU
根据分析器类型选择执行流程:
#### 6.1 延迟分析流程(multi-trace、syscalls、rundelay、blktrace、kvm-exit等)
延迟分析采用渐进式分析,从统计概览逐步深入到细节:
步骤1:基础统计(了解延迟分布)
# 先执行基础统计,周期性输出延迟分布
perf-prof [事件选项] -i 1000 --order示例:系统调用延迟统计
perf-prof syscalls -e raw_syscalls:sys_enter -e raw_syscalls:sys_exit -i 1000示例:调度延迟统计
perf-prof rundelay -e sched:sched_wakeup*,sched:sched_switch -e sched:sched_switch -p -i 1000示例:块设备IO延迟统计
perf-prof blktrace -d /dev/sda -i 1000
解读输出:关注延迟分布(min/avg/max)、P99等百分位数,确定异常阈值。重点关注max等大的延迟毛刺。阈值设置原则:
步骤2:阈值过滤(聚焦异常事件)
# 根据步骤1的统计结果,设置--than参数过滤超过阈值的事件,避免设置的阈值过小造成大量输出。
perf-prof [事件选项] -i 1000 --order --than
解读输出:统计异常事件数量和分布,确认问题严重程度。步骤3:细节跟踪(定位根因)
# 加上--detail参数,筛选并输出异常事件范围内的中间事件
perf-prof [事件选项] -i 1000 --order --than --detail=
解读输出:分析每个异常事件的时间戳、进程、堆栈等信息,定位根因。步骤4:丰富细节(定位根因)
# 针对multi-trace、syscalls、rundelay:加上untraced事件,打开堆栈,还原延迟范围内的中间细节
perf-prof -e -e -i 1000 --order --than --detail=
解读输出:分析延迟范围的中间细节,定位根因。#### 6.2 其他分析器执行流程
# 直接执行,周期性输出统计结果
perf-prof [事件选项] -i 1000 [其他选项]
#### 6.3 输出解读与迭代
分析输出:
├── 问题定位清晰 → 完成分析
├── 出现事件丢失(stderr出现:lost xx events on) → 调整-m参数增加ringbuffer,重新执行
├── 延迟分析需要深入 → 按6.1流程逐步添加--than和--detail参数
├── 需要更细粒度 → 调整选项参数/过滤器/阈值,重新执行
├── 输出量太大 → 立即结束命令,调整选项参数/增加过滤器/调大阈值,重新执行
├── 需要不同视角 → 返回第二步,选择其他分析器
| └── 分析延迟根因 → multi-trace
└── 需要关联分析 → 使用multi-trace进行联合分析
事件选择语法
基本格式
EVENT,EVENT,...
EVENT: sys:name[/filter/ATTR/ATTR/.../]
profiler[/option/ATTR/ATTR/.../]
kprobe:func[/filter/ATTR/ATTR/.../]
kretprobe:func[/filter/ATTR/ATTR/.../]
uprobe:func@"file"[/filter/ATTR/ATTR/.../]
uretprobe:func@"file"[/filter/ATTR/ATTR/.../]
filter: trace events filter
过滤器语法
==, !=, <, <=, >, >=, &==, !=, ~(通配符)&&, ||, ()事件属性
stack - 为指定的事件打开堆栈max-stack=int - 指定堆栈的深度alias=str - 事件别名,只用于hrcount, hrtimer, multi-trace, num-dist, top, sqlcpus=cpu[-cpu] - 指定事件Attach到单独的cpu列表,与-C, --cpus指定的cpu列表取交集top-by=EXPR - 增加top显示字段,参与输出排序,只用于toptop-add=EXPR - 增加top显示字段,不用于输出排序,只用于topcomm=EXPR - 计算显示的进程名,只用于topptr=EXPR - 计算内存分配返回的指针,用于内存分配事件,只用于kmemleaksize=EXPR - 计算内存分配的字节,用于内存分配事件,只用于kmemleak, kmemprofnum=EXPR - 计算分析数值分布的数值字段,只用于num-distkey=EXPR - 设置关联键字段,只用于multi-trace, topprintkey=EXPR - 打印key值,使用'key'作为变量,只用于multi-trace, top(如:printkey=printf("%d",key))role=EXPR - 计算事件的角色,延迟关系中作为起始事件还是结束事件,Bit0置位作为起始事件,Bit1置位作为结束事件,同时置位作为中间事件,只用于multi-tracevm=uuid - 指定事件来着某个虚拟机,通过uuid指定,只用于事件传播push= - 指定事件广播的位置,只用于事件传播。[IP:]PORT指定事件广播的服务端,chardev事件写到字符设备(如:/push="/dev/virtio-ports/g.|qemu.perf0"/),file事件写入文件pull= - 指定事件接受的位置,只用于事件传播。[IP:]PORT指定接收事件的服务端,chardev接收事件的字符设备,file接收事件的文件index=field - 指定 SQL的索引字段,只用于 sqlEXPR - 计算表达式,使用事件的字段作为变量,在用户态计算。执行perf-prof expr -h获得帮助严格约束
perf-prof -h 查看帮助kprobe_events.md或uprobe_events.md参考文档
详细的分析器文档在 references/ 目录: