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如何读懂火焰图?

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软件的性能分析,往往需要查看 CPU 耗时,了解瓶颈在哪里。 火焰图 flame graph是性能分析的利器。本文介绍它的基本用法。

一、perf 命令

让我们从 perf 命令(performance 的缩写)讲起,它是 Linux 系统原生提供的性能分析工具,会返回 CPU 正在执行的函数名以及调用栈(stack)。

通常,它的执行频率是 99Hz(每秒 99 次),如果 99 次都返回同一个函数名,那就说明 CPU 这一秒钟都在执行同一个函数,可能存在性能问题。

$ sudo perf record -F 99 -p 13204 -g -- sleep 30

上面的代码中, perf record 表示记录, -F 99 表示每秒 99 次, -p 13204 是进程号,即对哪个进程进行分析, -g 表示记录调用栈, sleep 30 则是持续30秒。

运行后会产生一个庞大的文本文件。如果一台服务器有 16 个 CPU,每秒抽样 99 次,持续 30 秒,就得到 47,520 个调用栈,长达几十万甚至上百万行。

为了便于阅读, perf record 命令可以统计每个调用栈出现的百分比,然后从高到低排列。

$ sudo perf report -n --stdio

这个结果还是不易读,所以才有了火焰图。

二、火焰图的含义

火焰图是基于 perf 结果产生的 SVG 图片 ,用来展示 CPU 的调用栈。

y 轴表示调用栈,每一层都是一个函数。调用栈越深,火焰就越高,顶部就是正在执行的函数,下方都是它的父函数。

x 轴表示抽样数,如果一个函数在 x 轴占据的宽度越宽,就表示它被抽到的次数多,即执行的时间长。注意,x 轴不代表时间,而是所有的调用栈合并后,按字母顺序排列的。

火焰图就是看顶层的哪个函数占据的宽度最大。只要有“平顶”(plateaus),就表示该函数可能存在性能问题。

颜色没有特殊含义,因为火焰图表示的是 CPU 的繁忙程度,所以一般选择暖色调。

三、互动性

火焰图是 SVG 图片 ,可以与用户互动。

(1)鼠标悬浮

火焰的每一层都会标注函数名,鼠标悬浮时会显示完整的函数名、抽样抽中的次数、占据总抽样次数的百分比。下面是一个例子。

mysqld'JOIN::exec (272,959 samples, 78.34 percent)

(2)点击放大

在某一层点击,火焰图会水平放大,该层会占据所有宽度,显示详细信息。

左上角会同时显示 “Reset Zoom”,点击该链接,图片就会恢复原样。

(3)搜索

按下 Ctrl + F 会显示一个搜索框,用户可以输入关键词或正则表达式,所有符合条件的函数名会高亮显示。

四、火焰图示例

下面是一个简化的火焰图例子。

首先,CPU 抽样得到了三个调用栈。

func_c 
func_b 
func_a 
start_thread 

func_d 
func_a 
start_thread 

func_d 
func_a 
start_thread

上面代码中, start_thread 是启动线程,调用了 func_a 。后者又调用了 func_b func_d ,而 func_b 又调用了 func_c

经过合并处理后,得到了下面的结果,即存在两个调用栈,第一个调用栈抽中1次,第二个抽中2次。

start_thread;func_a;func_b;func_c 1 
start_thread;func_a;func_d 2

有了这个调用栈统计, 火焰图工具 就能生成 SVG 图片。

上面图片中,最顶层的函数 g() 占用 CPU 时间最多。 d() 的宽度最大,但是它直接耗用 CPU 的部分很少。 b() c() 没有直接消耗 CPU。因此,如果要调查性能问题,首先应该调查 g() ,其次是 i()

另外,从图中可知 a() 有两个分支 b() h() ,这表明 a() 里面可能有一个条件语句,而 b() 分支消耗的 CPU 大大高于 h()

五、局限

两种情况下,无法画出火焰图,需要修正系统行为。

(1)调用栈不完整

当调用栈过深时,某些系统只返回前面的一部分(比如前 10 层)。

(2)函数名缺失

有些函数没有名字,编译器只用内存地址来表示(比如匿名函数)。

六、Node 应用的火焰图

Node 应用的火焰图就是对 Node 进程进行性能抽样,与其他应用的操作是一样的。

$ perf record -F 99 -p `pgrep -n node` -g -- sleep 30

详细的操作可以看 这篇文章

七、浏览器的火焰图

Chrome 浏览器可以生成页面脚本的火焰图,用来进行 CPU 分析。

打开开发者工具,切换到 Performance 面板。然后,点击“录制”按钮,开始记录数据。这时,可以在页面进行各种操作,然后停止"录制"。

这时,开发者工具会显示一个时间轴。它的下方就是火焰图。

浏览器的火焰图与标准火焰图有两点差异:它是倒置的(即调用栈最顶端的函数在最下方);x 轴是时间轴,而不是抽样次数。

八、参考链接


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作者:Linux.中国 - 开源中文社区
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原文地址:如何读懂火焰图?, 感谢原作者分享。

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