最近网上运行的一个程序出现了性能问题，但是通过分析程序源码（CodeReview），找不到问题的根源。所以只能借助强大的性能分析工具perf来查找问题所在。perf工具非常强大，但是本文不介绍perf工具的使用，而是介绍perf的实现原理。介绍perf使用的文章很多，介绍perf原理和实现的却很少。但是正因为perf很强大，它的实现也很复杂。本文只介绍其中一个功能：分析进程中函数调用的频率。下面先介绍一下如何使用perf分析进程中函数调用的频率。使用perf分析程序性能瓶颈在介绍perf的实现之前，我们先使用perf分析一个简单的程序，程序代码如下：//sample.cvoidworkload1(){inti,c=0;对于(i=0;i<100000000;i++){c+=i*i;c-=我*100;c+=我*我*我/100;}}voidworkload2(){inti,c=0;对于(i=0;i<200000000;i++){c+=i*i;c-=我*100;c+=我*我*我/100;}}intmain(intargc,char*argv[]){workload1();工作量2()；return0;}上面的程序很简单，我们创建了两个函数：workload1和workload2。从代码中可以看出，workload2的负载是workload1的两倍。现在我们使用perf来分析这个程序的性能瓶颈在哪里。首先，我们将程序编译成可执行文件。编译的时候记得加上-g参数，这样perf就可以拿到函数名了。$gccsample.c-g-osample使用perf的record命令来记录程序的运行情况。$sudoperfrecord-g./samplesleep10运行上述命令后，会生成一个perf.data文件，记录了示例程序运行时的采样数据。使用perf的report命令来分析程序的运行情况。$perfreport-g结果如下图所示：从上图可以看出，函数workload2（65%）的负载大约是函数workload1（35%）的两倍，基本符合我们的代码。perf的实现原理通过上面的例子，我们大概知道了如何使用perf来分析程序的性能瓶颈。接下来介绍一下perf的内部实现原理。我们想一想，如果我们要设计一个程序，统计程序中每个函数所占用的CPU时间，应该怎么设计呢？最简单的解决办法是：在每个函数的开始记录当前时间，然后在函数执行完后用当前时间减去函数开始执行的时间，得到函数的总执行时间。以下伪代码：voidfunc1(){...}voidfunc2(){...}intmain(intargc,char*argv[]){intstart_time,total_time;开始时间=现在（）；func1();total_time=now()-开始时间；printf("func1()花费了%d\n",total_time);开始时间=现在（）；func2();total_time=now()-开始时间；printf("func2()spent%d\n",total_time);}上面的方法虽然可以统计程序中每个函数的耗时，但是存在很多问题：代码侵入性强。由于每个函数都需要耗时记录，所以需要在调用函数前和函数调用后加入统计代码。统计函数非常耗时，不能反映函数的真实CPU使用率。例如，函数内部调用了导致进程休眠的系统调用（如sleep）。这个时候函数实际上并没有使用CPU，只是函数消耗的时间计入休眠时间。对性能影响很大。由于程序中所有函数都加入了统计代码，对性能的影响非常大。所以我们需要一个可以避免上述问题的系统：零代码入侵。能够真实反映函数的CPU占用情况。对性能影响不大。Perf就是为解决上述问题而诞生的。先介绍一下perf的原理。抽样为了减少对程序性能的影响，perf并没有在每个函数中加入统计代码，而是用一种统计方式来代替：抽样。采样的原理是：设置一个定时器，当定时器触发时，检查当前进程正在执行的函数，然后记录下来。如下图所示：如上图所示，每个cpu-clock是一个定时器的一个触发点。6个定时器触发点中，函数func1被命中3次，函数func2被命中1次，函数func3被命中2次。因此，我们可以推测函数func1的CPU使用率最高。排序如果程序有几万个函数，采样的数据可能会非常大。这时候需要对采样数据进行排序。perf为了对采样数据进行排序，使用了红黑树的数据结构，如下图：如上图所示，在perf采样的数据中，统计命中次数的函数有7个，而perf使用采样数据构建红黑树。根据红黑树的特性，最右边的节点就是命中最多的函数，这样就可以找到程序中CPU占用率最高的函数。总结由于perf的功能非常强大，本文只介绍perf的其中一个功能：CPU使用率统计功能。在下一篇文章中，我们将介绍perf的代码实现。Linux的创始人林纳斯曾经说过：Readthef**kingsourcecode。要真正了解一个系统，只能阅读它的源代码。
