2. perf工具入门

perf 是 Linux 内核官方提供的性能分析工具集，基于 perf_event_open 系统调用和内核事件子系统实现。它能够以极低的开销采集 CPU 周期、缓存命中率、分支预测、软硬件事件以及 tracepoint 数据，是系统级性能分析的起点。本章将带你完成 perf 的安装、事件枚举和基础统计操作。

2.1 perf 的安装与验证

perf 通常随内核源码一同发布，但需要单独安装用户态工具。不同发行版的安装命令如下：

安装完成后，验证 perf 是否可用：

perf --version
# 输出示例：perf version 6.8.0

2.2 perf list：查看所有可用事件

perf list 是探索 perf 能力的第一道门。它列出当前系统支持的所有性能事件，包括硬件事件、软件事件、tracepoint 事件和动态 PMU 事件。

基本用法：

perf list
# 输出按类别分组，例如：
# List of pre-defined events (to be used in -e):
#   cpu-cycles OR cycles                               [Hardware event]
#   instructions                                       [Hardware event]
#   cache-references                                   [Hardware event]
#   cache-misses                                       [Hardware event]
#   context-switches OR cs                             [Software event]
#   page-faults OR faults                              [Software event]
#   sched:sched_switch                                 [Tracepoint event]
#   block:block_rq_complete                            [Tracepoint event]

常用过滤选项：

下面这张 SVG 图展示了 perf 事件体系的层级结构：

2.3 perf stat：统计性能计数器

perf stat 是 perf 最基础的计数工具。它启动一个目标程序（或附加到已运行进程），在程序执行期间收集指定事件的计数器值，并在程序退出时汇总输出。

基本语法：

perf stat [options] command [args...]

典型示例——统计 ls 命令的 CPU 周期和指令数：

perf stat ls
# 输出示例：
#  Performance counter stats for 'ls':
#
#          1.234567      task-clock (msec)         #    0.123 CPUs utilized
#                12      context-switches          #    0.010 M/sec
#                 0      cpu-migrations            #    0.000 K/sec
#                45      page-faults               #    0.036 M/sec
#         3,456,789      cycles                    #    2.800 GHz
#         2,100,000      instructions              #    0.61  insn per cycle
#           450,000      branches                  #  364.567 M/sec
#            12,345      branch-misses             #    2.74% of all branches
#
#       0.010234567 seconds time elapsed

常用选项：

2.4 实战：使用 perf stat 分析程序瓶颈

下面通过一个具体案例演示如何用 perf stat 定位性能瓶颈。假设我们有一个计算密集型的 C 程序 matrix_mult：

// matrix_mult.c
#include <stdio.h>
#define N 1024
double a[N][N], b[N][N], c[N][N];

int main() {
    for (int i = 0; i < N; i++)
        for (int j = 0; j < N; j++)
            for (int k = 0; k < N; k++)
                c[i][j] += a[i][k] * b[k][j];
    return 0;
}

编译并运行 perf stat：

gcc -O2 -o matrix_mult matrix_mult.c
perf stat -e cycles,instructions,cache-misses,cache-references,branch-misses ./matrix_mult

输出解读：

下面这张 SVG 图展示了 perf stat 的工作流程：

2.5 常见问题与排查

• perf_event_paranoid 限制：如果遇到 perf_event_open 权限错误，检查 /proc/sys/kernel/perf_event_paranoid。值为 2 时禁止非 root 用户使用硬件事件；值为 1 时允许非 root 用户使用软件事件；值为 0 或 -1 时完全开放。
• 虚拟化环境：在虚拟机中，硬件 PMU 可能未透传，导致硬件事件计数为 0 或不可用。此时应优先使用软件事件和 tracepoint。
• 事件别名：perf 支持事件别名，如 cycles 等价于 cpu-cycles，cs 等价于 context-switches。使用 perf list 可查看所有别名。
• 多事件统计：perf stat 默认同时统计多个事件，但硬件事件受限于 PMU 计数器数量（通常 4~8 个）。超出时内核会进行事件复用（multiplexing），输出中会显示 not counted 或复用比例。