1.Introdução

Perf é uma das mais recentes tecnologias do sistema operacional Linux para a coleta e análise de dados de performance, possibilitando a coleta de inúmeros dados de performance que dificilmente seriam coletados de alguma outra maneira no Linux.

A coleta é feita de uma forma simples e adaptável, precisando de alguns poucos comandos para alcançar o resultado desejável, e sua utilização depende de poucos pré-requisitos - basicamente a instalação da ferramenta e permissão de superusuário para a sua execução.

Este artigo visa introduzir a ferramenta Perf a usuários que tenham necessidade de coletar dados de perfomance de aplicações, acerca da utilização do processador e da memória, tais como frequência de acerto e erro de cache, tempos de execução, tempos de acesso ao Translation Lookaside Buffer, entre outros.

Para tanto, é feita uma pequena introdução à ferramenta, detalhando alguns casos de uso, com um exemplo para cada um dos principais subcomandos, seguida por uma seção sobre a instalação da ferramenta, e finalizando com exemplos de coleta de eventos específicos.

Voltar para parte superior

1.1 Aplicação

Profilling é uma técnica utilizada para coletar informações de um sistema com o objetivo de entender o seu comportamento. É muito utilizada na análise de performance, uma vez que possibilita a avaliação dos tempos de execução de cada instrução, de funções ou de um grupo delas.

A técnica de Profilling também é muito utilizada por desenvolvedores de software, com o objetivo de encontrar comportamentos anormais. Além do mais, é uma técnica útil para entender o fluxo de execução de uma aplicação, principalmente quando não se dispõe de seu código fonte.

Voltar para parte superior

1.2 Princípio de Funcionamento: Contadores de performance

A grande mágica por trás do Perf está em algumas características dos processadores, que são capazes de capturar tudo o que acontece no seu interior e armazenar essas informações em registradores denominados "contadores de performance", ou como usualmente denominado em inglês, "performance counters".

Os contadores de performance apareceram com os primeiros processadores Pentium, e hoje estão amplamente disseminados nas principais linhas de processadores do mercado. Observa-se ainda, contudo, uma grande variação na quantidade destes contadores entre estas diferentes arquiteturas, o que, em última análise, determina a quantidade de eventos em paralelo capazes de serem medidos. Os processadores atuais contém pelo menos 8 contadores performance, que são suficientes para uma utilização moderada de eventos. Para mais informações sobre contadores de performance, consultar o manual de arquitetura do processador, como por exemplo "Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer Manuals" para a arquitetura x86, ou "PowerPC Operating Environment Architecture" para o processador PPC.

Além dos eventos de hardware, o Perf também consegue capturar informações de tracing em aplicativos, visando obter dados que não podem ser capturados via hardware. Esses eventos são denominados Software Events e podem ser adicionados em qualquer aplicativo que o usuário tenha acesso ao código fonte. O kernel do sistema operacional Linux contém inúmeros destes e são amplamente documentados.

Voltar para parte superior

2. Utilizando o Perf

O Perf é uma ferramenta composta por vários comandos, cada comando correspondendo à uma função diferente, contendo seus próprios parâmetros de operação.

Segue uma lista dos principais comandos do Perf:

        bench		Executa alguns micro-benchmarks para calcular performance
        diff		Mostra a diferença entre dois software em relação a performance
        kmem		Ferramenta para analisar a memória em espaço de kernel
        kvm		Ferramenta para analisar a máquina virtual no KVM
        list		Lista todos os eventos que podem ser mensurados
        lock		Analisa todos os eventos de lock
        sched		Analisa o escalonador de processos
        stat		Analisa as estatísticas de um processo
        timechart	Mostra visualmente a linha de tempo de execução de um workload
        top		Ferramenta para mostrar o que está acontecendo na máquina.
      

Neste artigo, será abordado inicialmente os comandos list, stat, top e timechart.

Voltar para parte superior

2.1 Instalação

Atualmente o Perf está disponível nos repositórios das distribuições de Linux mais comuns, como por exemplo Fedora, Ubuntu, Suse, etc. Para instalá-lo, basta ir até o repositório de versão para a respectiva distribuição e escolher instalá-lo. Caso, ainda assim, seja necessário instalar manualmente o Perf para um novo kernel, basta executar os seguintes comandos (assumindo que o novo kernel já esta instalado):

        wget <latest-kernel>.tar.bz2
        tar xjf <latest-kernel>-tar.bz2
        cd <latest-kernel>/tools/perf
        make
        make install
      

Voltar para parte superior

2.2 Lista de eventos

A ferramenta Perf oferece a possibilidade de listagem de eventos de hardware (diretamente preenchidos no registradores) como os eventos de software, e, em ambos os casos, a sintaxe é a mesma.

Para selecionar eventos específicos, basta utilizar o parâmetro "-e <nome do evento>" no comando Perf. dentre os quais:

2.2.1. Exemplos de eventos de hardware

    cpu-cycles       Quantidade de ciclos que a CPU utilizou para tal workload
    cache-misses     Quantidade de dados que não estavam no cache
    branch-misses    Quantidade de erros no branch predictor
    L1-dcache-loads  Quantidade de dados lidos do cache nível 1
    LLC-loads        Quantidade de dados lidos do cache mais longe (Last Level Cache)
    dTLB-stores      Quantidade de dados gravados na TLB (Translate Lookaside Buffer)
    iTLB-loads       Quantidade de instruções foram lidas da TLB
      

2.2.1. Exemplos de eventos de software

        skb:kfree_skb		Quantidade de vezes que o a função free_skb foi chamada
        kvm:kvm_hypercall	Quantidade de vezes que houve uma chamada para o KVM
        power:cpu_idle	Quantidade de vezes que o processador entra em idle
        syscalls:<syscall>	Quantidade de vezes que uma chamada de sistema é executada
      

Voltar para parte superior

3. Perf stat

O comando stat é, dentre todos, o mais fácil e prático de ser utilizado. Para utilizá-lo, basta executar perf stat <comando a ser executado>. Como resultado, a ferramenta exibirá uma coleção geral de todos os contadores de performance disponíveis – tempo de execução, quantidade de instruções executadas, falhas de páginas e etc, avaliados ao longo da execução do comando fornecido.

Tomamos, como exemplo, a avaliação dos contadores ao longo da execução do comando sleep 1, que simplesmente coloca a shell em espera durante 1 segundo. Note que é possível verificar que o processo demora 1.001 segundos para ser executado, isto é, ele dorme por 1 segundo, e tem um overhead de 0,001 segundos.

        [breno@cafe ~]$ perf stat sleep 1
        
        Performance counter stats for 'sleep 1':
        
        0.829030  task-clock-msecs	#  	0.001 CPUs
        2  context-switches		#  	0.002 M/sec
        0  CPU-migrations		#  	0.000 M/sec
        137  page-faults          	#  	0.165 M/sec
        973923  cycles                  #       1174.774 M/sec
        590525  instructions            #  	0.606 IPC  
        115015  branches                #	138.734 M/sec
        6037  branch-misses        	#  	5.249 %    
        9545  cache-references     	# 	11.513 M/sec
        2655  cache-misses         	#  	3.203 M/sec
        
        1.001547315  seconds time elapsed
      

Observe que acima são listados os eventos padrão. Caso deseje restringir a amostragem a algum evento específico, basta utilizar-se da opção -e, tal como no exemplo abaixo, no qual apenas o contador do evento L1-dcache-loads é selecionado.

        [breno@cafe ~]$ perf stat -e L1-dcache-loads sleep 1
        
        Performance counter stats for 'sleep 1':
        
        179694  L1-dcache-loads    	 
        
        1.001295744  seconds time elapsed
      

Adicionalmente, pode-se especificar a amostragem de mais de um evento. Para isso, a ferramenta perf acomoda a especificação de múltiplas instâncias do parâmetro -e, como pode ser visto abaixo:

        [breno@cafe ~]$ perf stat -e L1-dcache-loads -e page-faults sleep 1
      

Voltar para parte superior

4. Perf top

Este comando é responsável por mostrar as chamadas que estão sendo executadas no computador em um dado instante, ou seja, o que o processador está executando, em termos de funções de bibliotecas e kernel.

Além disso, é possível avaliar a quantidade de interrupções por segundo que o computador está recebendo, e como também a percentagem do tempo que o processador está executando funções em espaço de kernel.

No exemplo abaixo, é possível notar que o computador está 7,4% do tempo sem nada para executar (na função intel_idle()). É possível observar também que boa parte do tempo de processamento é gasto no re-escalonamento de outros processos, como também executando operações de string.

Voltar para parte superior

5. Perf timechart

O timechart é um comando que mostra, de maneira gráfica, a utilização de processos vs processadores na linha do tempo, e o que cada processo está executando. Isso ajuda a entender como e quando os processos estão sendo escalonados, bem como seu comportamento ao longo do tempo.

Um dos aspectos mais observados é a utilização (ocupação) geral de cada CPU, diretamente relacionada com o grau de paralelismo das tarefas em execução, bem como o consumo de energia.

Através do timechart, também é possível observar dependências entre processos, e tempo de espera em entrada/saída, o que auxilia na identificação de potenciais gargalos, e na potencial remoção dos mesmos.

Voltar para parte superior

6. Conclusão

Neste artigo foi dada uma breve introdução à ferramenta Perf, abortando os casos mais comuns de uso, a sua instalação e utilização. Para mais informações, consulte as referências.

Voltar para parte superior

7. Referências

Linux Profiling tools

Unofficial Linux Perf Events Performance counters

Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer Manuals

PowerPC Architecture Book, Version 2.02

Sobre o autor

Breno Leitao é engenheiro de software no Linux Technology Center (LTC) onde atual como desenvolvedor especializado nas áreas de performance, device drivers e virtualização.

Classificar este artigo

Comentários

Voltar para parte superior

Índice

• 1.Introdução
• 1.1 Aplicação
• 1.2 Princípio de Funcionamento: Contadores de performance
• 2. Utilizando o Perf
• 2.1 Instalação
• 2.2 Lista de eventos
• 3. Perf stat
• 4. Perf top
• 5. Perf timechart
• 6. Conclusão
• 7. Referências
• Sobre o autor
• Comentários

Conheça a IBM da sua cidade

A IBM está mais perto do que você imagina!

---

Saiba mais