版本 7f21e6d6f75f604a9a178362ddddba89a5d9ef33
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title: 2015q3 Homework #2
toc: no
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預期目標
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- 驗證 [Week #3 課程](https://embedded2015.hackpad.com/ep/pad/static/vq55AYjcDYY)
- 學習效能分析工具
- 研究軟體最佳化
預先準備動作
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* 安裝相關開發工具
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sudo apt-get update
sudo apt-get install build-essential
sudo apt-get install linux-tools-common linux-tools-generic
sudo apt-get install colordiff
```
Linux 效能分析工具: Perf
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Perf 全名是 Performance Event，是在 Linux 2.6.31 以後內建的系統效能分析工具，它隨著核心一併釋出。藉由 perf，應用程式可以利用 PMU (Performance Monitoring Unit), tracepoint 和核心內部的特殊計數器 (counter) 來進行統計，另外還能同時分析運行中的核心程式碼，從而更全面了解應用程式中的效能瓶頸。
相較於 OProfile 和 GProf ，perf 的優勢在於與 Linux Kernel 緊密結合，並可受益於最先納入核心的新特徵。perf 基本原理是對目標進行取樣，紀錄特定的條件下所偵測的事件Branch Prediction是否發生以及發生的次數。例如根據 tick 中斷進行取樣，即在 tick 中斷內觸發取樣點，在取樣點裡判斷行程 (process) 當時的 context。假如一個行程 90% 的時間都花費在函式 foo() 上，那麼 90% 的取樣點都應該落在函式 foo() 的上下文中。
Perf 可取樣的事件非常多，可以分析 Hardware event，如 cpu-cycles、instructions 、cache-misses、branch-misses ...等等。可以分析 Software event，如 page-faults、context-switches ...等等，另外一種就是 Tracepoint event。知道了 cpu-cycles、instructions 我們可以了解 Instruction per cycle 是多少，進而判斷程式碼有沒有好好利用 CPU，cache-misses 可以曉得是否有善用 Locality of reference ，branch-misses 多了是否導致嚴重的 pipeline hazard ？另外 Perf 還可以對函式進行採樣，了解效能卡在哪邊。
Perf 安裝
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首先利用以下指令查看目前的 Kernel config 有沒有啟用 Perf。如果電腦已安裝常見 GNU/Linux 發行版本，預設值應該都有開啟。
```
＄ cat "/boot/config-`uname -r`" | grep "PERF_EVENT"
```
參考的環境是 `Ubuntu 14.04`
接著輸入``perf list`` 或 ``sudo perf top`` 檢查一下 perf 可不可以使用。
如果出現以下的訊息，表示還漏了些東西。（底下的 Kernel 版本可能和你不一樣，根據指示安裝起來即可。不放心的話可以使用 ``＄ uname -r`` 確認）
```
WARNING: perf not found for kernel 3.16.0-50
You may need to install the following packages for this specific kernel:
linux-tools-3.16.0-50-generic
linux-cloud-tools-3.16.0-50-generic
```
於是執行以下指令:
```
sudo apt-get install linux-tools-3.16.0-50-generic linux-cloud-tools-3.16.0-50-generic
```
到這裡 perf 的安裝就完成了。
如果你不是切換到 root 的情況下輸入 ``$ perf top``，會出現以下錯誤畫面：
``kernel.perf_event_paranoid`` 是用來決定你在沒有 root 權限下 (Normal User) 使用 perf 時，你可以取得哪些 event data。預設值是 `kernel.perf_event_paranoid＝1`，你可以輸入 ``$ cat /proc/sys/kernel/perf_event_paranoid``來查看權限值。一共有四種權限值
``kernel.perf_event_paranoid`` 是用來決定你在沒有 root 權限下 (Normal User) 使用 perf 時，你可以取得哪些 event data。預設值是 `kernel.perf_event_paranoid＝1`，你可以輸入 ``$ cat /proc/sys/kernel/perf_event_paranoid``來查看權限值。一共有四種權限值:
* `2` : 不允許任何量測。但部份用來查看或分析已存在的紀錄的指令仍可使用，如 perf ls、perf report、perf timechart、 perf trace。
* `1` : 不允許 CPU events data。但可以使用 perf stat、perf record 並取得 Kernel profiling data。
* `0` : 不允許 raw tracepoint access。但可以使用 perf stat、perf record 並取得 CPU events data。
* `-1`: 權限全開
最後如果要檢測 cache miss event ，需要先取消 kernel pointer 的限制。
```
$ sudo sh -c " echo 0 > /proc/sys/kernel/kptr_restrict"
```
先來個範例暖身吧！
一開始，我們先使用第一次作業 「計算圓周率」 的程式來體會一下 perf 使用。
```c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
double compute_pi_baseline(size_t N) {
double pi = 0.0;
double dt = 1.0 / N;
for (size_t i = 0; i < N; i++) {
double x = (double) i / N;
pi += dt / (1.0 + x * x);
}
return pi * 4.0;
}
int main() {
printf("pid: %d\n", getpid());
sleep(10);
compute_pi_baseline(50000000);
return 0;
}
```
執行上述程式後，根據 pid 輸入 ``perf top -p $pid``。應該會得到類似下面的結果：
預設的 performance event 是 "cycles"，所以這條指令可以分析出消耗 CPU 週期最多的部份，結果顯示函式 compute_pi_baseline() 佔了近 99.9％，跟預期一樣，此函式是程式中的「熱點」！
* 截止日期：
- Oct 12, 2015 (含) 之前
- 越早在 GitHub 上有動態、越早接受 code review，評分越高
挑戰題
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參考資料
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