3. perf record与perf report

perf record 和 perf report 是 Linux perf 子系统中使用频率最高的一对搭档。perf record 负责在目标程序运行时采集性能数据，perf report 则负责将采集到的原始数据解析、汇总并呈现为可读的分析报告。理解它们的采样原理、参数含义以及如何生成火焰图和调用链，是进行系统性能分析的基础。

3.1 采样原理：从 PMU 到样本

perf 的采样机制依赖于 CPU 内部的 PMU 计数器。当计数器溢出时，CPU 触发一个 NMI（Non-Maskable Interrupt），perf 内核子系统在中断处理函数中记录当前上下文信息。

采样过程的关键步骤：

1. 配置计数器：perf 根据用户指定的事件（如 cycles、instructions）和采样周期（period 或 frequency）配置 PMU 寄存器。
2. 运行目标程序：目标程序在 CPU 上正常执行，PMU 计数器同步递增。
3. 计数器溢出：当计数器达到预设阈值时，触发 PMU 中断。
4. 记录样本：perf 中断处理函数保存当前 RIP（指令指针）、PID、TID、CPU ID、调用栈（通过帧指针或 dwarf unwind）到内核缓冲区。
5. 数据输出：perf record 进程定期从内核缓冲区读取数据，写入 perf.data 文件。

3.2 perf record：记录性能数据

perf record 是数据采集的入口。它的核心职责是：在目标程序运行期间，按照指定的采样频率或事件周期，将性能样本写入 perf.data 文件。

3.2.1 常用参数

3.2.2 典型使用场景

场景一：分析 CPU 热点

# 以 99Hz 采样 CPU 周期事件，记录调用栈
perf record -e cycles -F 99 -g -- ./myapp

# 采样 10 秒后自动停止
perf record -e cycles -F 99 -g -- sleep 10 ./myapp

场景二：分析缓存缺失

# 采集 cache-misses 事件
perf record -e cache-misses -F 99 -g -a -- sleep 30

场景三：分析指定进程

# 附加到运行中的 nginx 进程
perf record -e cycles -F 99 -g -p $(pgrep -x nginx) -- sleep 10

3.3 perf report：生成火焰图与调用链分析

perf report 读取 perf.data 文件，将原始样本解析为可读的报告。它支持多种输出格式，包括文本报告、调用链树、以及用于生成火焰图的数据。

3.3.1 基本使用

# 查看默认报告
perf report

# 以调用链形式显示
perf report -g graph

# 输出到文件
perf report -g graph --stdio > report.txt

3.3.2 调用链分析

perf report 的调用链视图展示了每个热点函数的调用路径。默认按 overhead（开销占比）排序，从高到低显示。

调用链的两种显示模式：

3.3.3 生成火焰图数据

火焰图（Flame Graph）是 Brendan Gregg 发明的可视化工具，用于直观展示 CPU 热点分布。perf 本身不直接生成 SVG 火焰图，但可以输出折叠格式的调用栈数据，供 FlameGraph 工具集使用。

生成火焰图的步骤：

1. 采集数据：perf record -e cycles -F 99 -g -- ./myapp
2. 生成折叠栈：perf script > out.perf
3. 折叠调用栈：stackcollapse-perf.pl out.perf > out.folded
4. 生成 SVG：flamegraph.pl out.folded > flame.svg

# 一键生成火焰图数据（使用 perf 内置脚本）
perf script -i perf.data --header | ./stackcollapse-perf.pl | ./flamegraph.pl > flame.svg

3.4 实战案例：分析 CPU 热点并生成火焰图

以下是一个完整的实战流程，演示如何从采样到生成火焰图。

步骤 1：编写测试程序

// test_hot.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void hot_function() {
    volatile int i;
    for (i = 0; i < 100000000; i++);
}

void cold_function() {
    volatile int i;
    for (i = 0; i < 1000; i++);
}

int main() {
    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        hot_function();
        cold_function();
    }
    return 0;
}

步骤 2：编译并采样

gcc -g -O0 -fno-omit-frame-pointer -o test_hot test_hot.c

# 采样 5 秒
perf record -e cycles -F 99 -g -- ./test_hot

步骤 3：查看报告

perf report -g graph --stdio

# 输出片段示例：
# 99.99%  test_hot  test_hot    [.] hot_function
#         |
#         --99.99%-- main
#                    hot_function

步骤 4：生成火焰图

# 安装 FlameGraph 工具
git clone https://github.com/brendangregg/FlameGraph.git
cd FlameGraph

# 生成折叠栈
perf script -i ../perf.data | ./stackcollapse-perf.pl > out.folded

# 生成 SVG 火焰图
./flamegraph.pl out.folded > flame.svg

3.5 常见问题与避坑