perf 是Linux的一款性能分析工具，能够进行函数级和指令级的热点查找，可以用来分析程序中热点函数的CPU占用率，从而定位性能瓶颈。

perf：Performance analysis tools for Linux.

系统性能优化通常可以分为两个阶段：性能分析和性能优化。

• 性能分析的目的是查找性能瓶颈、热点代码，分析引发性能问题的原因；
• 基于性能分析，可以进行性能优化，包括：算法优化（空间复杂度和时间复杂度的权衡）和代码优化（提高执行速度、减少内存占用）。

1、perf 的原理

Linux性能计数器是一个基于内核的子系统，它提供一个性能分析框架，比如硬件（CPU、PMU（Performance Monitoring Unit））功能和软件（软件计数器、tracepoint）功能。

通过 perf，应用程序可以利用PMU、tracepoint和内核中的计数器来进行性能统计。

Perf 可以对程序进行函数级别的采样，从而了解程序的性能瓶颈在哪里。其基本原理是：每隔一个固定时间，就是CPU上产生一个中断，看当前是哪个进程、哪个函数，然后给对应的进程和函数加一个统计值，这样就知道CPU有多少时间在某个进程或某个函数上了。

2、perf 的安装

在终端输入下面命令即可：

sudo apt install linux-tools-common linux-tools-generic linux-tools-`uname -r`

3、top 的使用

top 命令也是Linux下的性能分析工具，能够实时显示系统中各个进程的资源占用状况。

使用 perf 之前，可以先用 top 命令查看指定进程（xxx）的CPU占用率是否异常，命令如下：

top -p `ps aux | grep "xxx" | grep -v grep | cut -c 9-15` -d 1 -b

上面命令的含义是通过 top 查看指定进程（xxx）的整体运行情况，其中，

• top -p：指定进程
• top -d 1：指定屏幕刷新时间，1s刷新一次
• top -b：表示以批处理模式操作
• ps aux：列出所有进程
• grep：查找指定进程
• grep -v：反向查找
• cut -c 9-15：选择每行指定列的字符

4、perf 的使用

使用 perf 进行性能分析，主要使用下面两个命令：

• perf record：保存perf追踪的内容，文件名为perf.data
• perf report：解析perf.data的内容

比如要分析进程 xxx，启动该进程后，首先启动使用下面命令：

sudo perf record -a --call-graph dwarf -p `ps aux | grep "xxx" | grep -v grep | cut -c 9-15`

其中，

• -a：表示对所有CPU采样
• --call-graph dward：表示分析调用栈的关系
• -p：表示分析指定的进程

通过 Ctrl + C 结束后，会生成 perf.data 文件，然后通过 report 导出报告，即可以查看 main 函数和子函数的CPU平均占用率。

sudo perf report -i perf.data > perf.txt

5、perf 使用示例

比如，有下面一段代码。

#include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;

void for_loop()
{
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        for (int j = 0; j < 10000; j++) {
            int x = sin(i) + cos(j);
        }
    }
}

void loop_small()
{
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        for_loop();
    }
}

void loop_big()
{
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        for_loop();
    }
}

int main()
{
    loop_big();
    loop_small();

    return 0;
}

其中，

• for_loop()是一个两层循环，每次都要计算正弦和余弦的和，这是一个比较耗时的函数；
• loop_small()把for_loop()循环10次；
• loop_big()把for_loop()循环100次。

可以明显看出 main() 函数中 loop_big() 函数会占大部分CPU，下面通过 perf 命令验证下。

1）假设指定可执行文件的名称为“perf_for”，

g++ perf_for.cpp -o perf_for

2）运行 perf_for 之后，启动 perf record：

sudo perf record -a --call-graph dwarf -p `ps aux | grep "perf_for" | grep -v grep | cut -c 9-15` -d 1 -b

3）结束后，通过 perf report 导出报告：

sudo perf report -i perf.data > perf.txt

如下图所示，可以看出main函数90%的CPU都花在 loop_big() 函数上。

优化时就可以考虑：

• 首先考虑优化 for_loop() 函数，主要是 sin 和 cos 的计算；
• 若 for_loop() 函数无法优化，就考虑优化 loop_big()，比如减少 for_loop() 函数的调用次数。