linux内核的基础知识（Linux内核性能剖析的方法学和主要工具）

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三、off-cpu分析

off-cpu分析更多关注延迟问题，所以我们首先要获知延迟的分布，这个时候我们最好使用直方图。之后，我们可以过度到用off-cpu火焰图等进一步分析off-CPU在等什么，而在lock contention的场合，则可以使用perf lock来进一步进行锁的分析。

直方图

直方图深入人心，哪怕什么工具都没有，纯粹地用Linux内核也可以划出直方图。这个功能位于菜单tracer->Histogram triggers，通过内核tracepoints实现。

下面我们随便举个例子，看看mm/vmscan.c中shrink_inactive_list()一般回收page个数的分布。注意，这纯粹是一个栗子，不对应任何的实际工程。

在直方图中，我们关心2个点，一个是key，一个是value。比如我们以回收页面的个数为key，回收到这一key值页面个数的次数为value。

我们在include/trace/events/vmscan.h和mm/vmscan.c中增加这个trace：

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trace_mm_vmscan_nr_reclaimed(nr_reclaimed, 1);这句话表示回收nr_reclaimed个页面的次数增加1。

现在我们使能tracer，以nr_reclaimed为key, times为value，按照times降序排列：

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运行系统，触发一些内存回收动作，采样到一些值后，直接读取直方图：

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从直方图可看出，实验场景中，回收到32个pages的机会最多，占据76598次，其次是回收到1个、0个和2个的。

下面我们把所有采样复原，改为依据nr_reclaimed升序显示：

复原：

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开启新的采样：

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运行系统，触发一些内存回收动作，采样到一些值后，直接读取直方图：

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有的童鞋说，我现在关注的是延迟时间的分布，不是nr_reclaimed。这完全不影响我们的原理，比如latency单位是us，我想搜集0-5ms, 5-10ms, 10-15ms, 15-20ms各个档次的分布，我只需要trace：

trace_xxx_sys_yyy_latency(latency/5000, 1);

后面在hist中，0-5ms会是一行，5-10ms会是一行，依此类推。另外，内核里面统计延迟可用类似的代码逻辑（来源于kernel/dma/map_benchmark.c的map_benchmark_thread函数）：

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eBPF/BCC中本身内嵌多个直方图工具，可满足许多常见的生活必须，比如之前演示的biolatency，还有这些已经自带：

bitehist.py: Block I/O size histogram.

argdist: Display function parameter values as a histogram or frequency count.

bitesize: Show per process I/O size histogram.

btrfsdist: Summarize btrfs operation latency distribution as a histogram.

cpudist: Summarize on- and off-CPU time per task as a histogram.

dbstat: Summarize MySQL/PostgreSQL query latency as a histogram.

ext4dist: Summarize ext4 operation latency distribution as a histogram.

funcinterval: Time interval between the same function as a histogram.

runqlat: Run queue (scheduler) latency as a histogram.

runqlen: Run queue length as a histogram.

xfsdist: Summarize XFS operation latency distribution as a histogram.

zfsdist: Summarize ZFS operation latency distribution as a histogram.

funclatency这个笔者也经常用，比如看一下vfs_read()这个函数的执行时间分布，只需要把函数名加在funclatency之后就好：

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我们看到vfs_read()在实验场景，一般延迟是8-16us之间占据第一名。但是偶尔也能大到惊人的4294967296ns，也就是4.2秒，从直方图最后一行可以看出，这些可能就是outlier了。

eBPF/BCC可以依附于kprobe、tracepoints上，在eBPF/BCC上定制直方图，只用写非常简单的脚本即可，因为直方图是其本身内嵌的功能。比如在patch【7】中，笔者想知道kernel/sched/fair.c的select_idle_cpu()在进程被唤醒的时候，统计选中与target同cluster idle CPU，不同cluster idle CPU和没找到idle cpu的比例，只需要写一个简单的脚本：

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这个脚本的关键是涂了红色的三行，定义了一个直方图对象dist,然后就在里面通过dist.increment(e)增加采样点，最后通过b["dist"].print_linear_hist("idle")把直方图画出来：

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eBPF/BCC里面有许多直方图的例子，我们定制自己的直方图的时候，依葫芦画瓢就好。

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off-cpu火焰图

实际上，eBPF/BCC的代码仓库已经写好了off-cpu工具，可以直接拿来用：

https://github.com/iovisor/bcc/blob/master/tools/offcputime.py

它的原理是抓捕内核进行进程上下文切换的时间和backtrace，比如可以对finish_task_switch()内核函数施加探针。因为我们在这个点可以知道什么进程被切换走了，什么进程被切换回来的，结合这些点的backtrace搜集，我们就可以得到睡眠和唤醒的调用栈，以及时间差。可以在这个函数加tracepoint，但是没有tracepoint的情况下，我们也可以直接attach kprobe探针。

finish_task_switch()的函数原型是：

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可见参数prev是被切换走的进程，而我们通过current可以拿到当前的进程，也即我们切入的进程。通过下面的算法，即可求出整个off-cpu区间的时间和backtrace：

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通过在内核finish_task_switch()的kprobe点上插入eBPF/BCC代码来完成这个算法，这样不需要修改和重新编译内核。之后，我们可以把eBPF/BCC捕获的数据，借助flamegraph工具，绘制出off-cpu火焰图。

下面给一个非常简单的案例，在我的Ubuntu x86 PC上面运行以下代码，创建32个进程，每个进程申请1G内存，然后循环执行：16字节对齐的时候写入一个字节，1MB对齐的时候睡眠30us。

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测试内核是5.11.0-49-generic，内核未开启抢占，但是允许PREEMPT_VOLUNTARY：

# CONFIG_PREEMPT_NONE is not set

CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY=y

# CONFIG_PREEMPT is not set

测试的环境开启了zRAM的swap，但是关闭了磁盘相关的swap：

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捕获a.out 30秒的off-cpu数据，并绘制火焰图。

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得到如下火焰图：

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从以上火焰图可以看出，a.out的延迟主要是3个方面原因：

• 发生在其用户态代码本身调用的nanosleep()上;
• 发生在page_fault的处理上;
• 时间片到期后， timer中断进来，把它切换走。

我们把这3个块分别画3个圆圈：

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火焰图的纵向是backtrace，横向是每一种情况的off-cpu时间，横向越宽代表这个调用stack上的off-cpu时间越久。

假设我们shrink_inactive_list()这个函数特别感兴趣，则可点击shrink_inactive_list()这个函数，单独查看这个函数的off-cpu细节，我们发现，它其中一半的off-cpu是因为它自己调用了一个msleep()，还有很大一部分发上在它主动call了_cond_resched()，然后CPU被别人抢走;如果我们关注mutex_lock() 的延迟，则显然发生在shrink_inactive_list() -> shrink_page_list() -> add_to_swap -> get_swap_pages() -> mutex_lock()这个路径上。

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如果我们把焦点移到kswapd，我们还是运行上面的a.out代码，但是我们捕获和分析的对象换为kswapd。捕获kswapd的off-cpu数据30秒并绘制off-cpu火焰图。

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绘制出来的kswapd的off-cpu火焰图如下：

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可见多数延迟发生在kswapd各种路径下（比如shrink_inactive_list -> shrink_page_list路径）主动调用_cond_resched()出让CPU，还有一部分延迟发生在最右边的shrink_slab的i915显卡驱动的slab shrink，点击放大它：

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从上图可以看出，我们在内存回收shrink_slab()的时候，被i915驱动的i915_gem_shrink()堵住了，而i915_gem_shrink()被一个mutex_lock_interruptible()堵住了，所以i915驱动持有的一个mutex实际上给shrink_slab()是添堵了。

特别有意思的是，这个off-cpu火焰图，还可以变成双层的off-wake火焰图。比如A进程等一个锁睡眠了，B进程是持有锁的人，B唤醒了A，在off-wake火焰图上，它会以双层调用栈的形式进行展示。比如在a.out引起匿名页频繁swap的情况下，抓一下kswapd的off-wake火焰图：

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得到的图如下：

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从图上可以完整看出,kswapd off-cpu的原因和唤醒者。比如画红圈的区域，kswapd因为调用kswapd_try_to_sleep()而主动进入睡眠，a.out在swap in的过程中do_swap_page()因而需要alloc_pages()的时候因为申请内存的压力，唤醒了kswapd内核线程。天蓝色的是kswapd，淡蓝色的是唤醒者。唤醒者的调用栈是从上到下，off-cpu的kswapd的调用栈是从下到上，中间通过灰色隔离带隔开。这种描述方式，确实看起来比较惊艳有木有？

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Lock Contention分析

在使能内核CONFIG_LOCKDEP 和CONFIG_LOCK_STAT 选项的情况下，我们可以通过perf lock来进行lock的contention分析。其实perf lock主要是利用了内核一系列的锁的tracepoints，比如trace_lock_acquired(lock, ip)、trace_lock_acquired(lock, ip)、trace_lock_release(lock, ip)等。

在我运行一个匿名页频繁swap out/in的系统里，抓取lock情况：

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然后生成报告：

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看起来&rq->__lock、ptlock_ptr(page)、&lruvec->lru_lock的竞争比较激烈。尤其是&lruvec->lru_lock，由于contention比较多，total wait时间比较大。这里要特别留意一点，lock contention不一定是off-cpu的，可能也有on-cpu的，对于mutex, rwsem更多是off-cpu的；spinlock，则更多是on-cpu的。

对于off-cpu以及相关的延迟问题，我们需要通过直方图获知延迟分布、off-cpu/off-wakeup火焰图获知off-cpu的原因和唤醒者，如果是锁竞争的情况，则进一步通过内核perf lock剖析锁竞争。

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四、总结

性能优化经常是一个全栈的工作，对工程师的要求也比较高。它是一个很难用一篇文章完整描述清楚的话题，所以本文更多只是起一个提纲挈领的作用，许多话题有待以后有机会进一步展开。文中疏漏，在所难免，还请读者朋友海涵。最后推荐给亲爱的读者朋友们2本书:

• BrenDan Gregg的《System Performance Enterprise and the Cloud(Second Edition)》；
• Denis Bakhvalor的《Performance Analysis and Tuning on Modern CPUs》

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