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版本 7aa644e847242577a768462cf4779181a6cc2e6b

2015q3 Homework #2

預期目標

  • 驗證 Week #3 課程
  • 學習效能分析工具
  • 研究軟體最佳化

預先準備動作

  • 安裝相關開發工具
sudo apt-get update
sudo apt-get install build-essential
sudo apt-get install linux-tools-common
sudo apt-get install colordiff

Linux 效能分析工具: Perf

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

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 * 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 的禁用。

$ 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。

#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

參考資料