使用oprofile分析性能瓶颈

使用oprofile分析性能瓶颈

1. 概述

oprofile 是 Linux 平台上，类似 INTEL VTune 的一个功能强大的性能分析工具。

其支持两种采样(sampling)方式：基于事件的采样(event based)和基于时间的采样(time based)。

基于事件的采样是oprofile只记录特定事件（比如L2 cache miss）的发生次数，当达到用户设定的

定值时oprofile 就记录一下（采一个样）。这种方式需要CPU 内部有性能计数器(performace counter)。

现代CPU内部一般都有性能计数器，龙芯2E内部亦内置了2个性能计数器。

基于时间的采样是oprofile 借助OS 时钟中断的机制，每个时钟中断 oprofile 都会记录一次(采一次样）。

引入的目的在于，提供对没有性能计数器 CPU 的支持。其精度相对于基于事件的采样要低。因为要借助 OS

时钟中断的支持，对禁用中断的代码oprofile不能对其进行分析。

oprofile 在Linux 上分两部分，一个是内核模块(oprofile.ko)，一个为用户空间的守护进程(oprofiled)。

前者负责访问性能计数器或者注册基于时间采样的函数(使用register_timer_hook注册之，使时钟中断处理

程序最后执行profile_tick 时可以访问之)，并采样置于内核的缓冲区内。后者在后台运行，负责从内核空

间收集数据，写入文件。

2. oprofile 的安装

以龙芯2E平台为例，要使用oprofile 首先得采用打开oprofile支持的内核启动。然后安装下面3个软件包：

oprofile, oprofile-common, oprofile-gui，其中核心软件包是oprofile-common，其包括以下工具集：

/usr/bin/oprofiled 守护进程

/usr/bin/opcontrol 控制前端，负责控制与用户交互，用得最多

/usr/bin/opannotate 根据搜集到的数据，在源码或者汇编层面上注释并呈现给用户

/usr/bin/opreport 生成二进制镜像或符号的概览

/usr/bin/ophelp 列出oprofile支持的事件

/usr/bin/opgprof 生成gprof格式的剖析数据

...

目前oprofile 在龙芯2E上已经移植好了，包括用户空间的工具集软件包，亦可用矣。

一个测试用的内核，已经打开 oprofile ，位于 http://people.openrays.org/~comcat/godson/vmlinux-2.6.18-oprofile
用户空间工具集deb 包位于： http://people.openrays.org/~comcat/godson/oprofile-0.9.2/
3. oprofile 快速上手

a. 初始化

opcontrol --init

该命令会加载oprofile.ko模块，mount oprofilefs。成功后会在/dev/oprofile/目录下导出

一些文件和目录如： cpu_type, dump, enable, pointer_size, stats/

b. 配置

主要设置计数事件和样本计数，以及计数的CPU模式（用户态、核心态）

opcontrol --setup --event=CYCLES:1000::0:1

则是设置计数事件为CYCLES，即对处理器时钟周期进行计数

样本计数为1000，即每1000个时钟周期，oprofile 取样一次。

处理器运行于核心态则不计数

运行于用户态则计数

--event=name:count:unitmask:kernel:user

name: event name, e.g. CYCLES or ICACHE_MISSES

count: reset counter value e.g. 100000

unitmask: hardware unit mask e.g. 0x0f

kernel: whether to profile kernel: 0 or 1

user: whether to profile userspace: 0 or 1

c. 启动

opcontrol --start

d. 运行待分析之程序

./ffmpeg -c cif -vcodec mpeg4 -i /root/paris.yuv paris.avi

e. 取出数据

opcontrol --dump

opcontrol --stop

f. 分析结果

opreport -l ./ffmpeg

则会输出如下结果：

CPU: GODSON2E, speed 0 MHz (estimated)

Counted CYCLES events (Cycles) with a unit mask of 0x00 (No unit mask) count 10000

samples % symbol name

11739 27.0148 pix_abs16_c

6052 13.9274 pix_abs16_xy2_c

4439 10.2154 ff_jpeg_fdct_islow

2574 5.9235 pix_abs16_y2_c

2555 5.8798 dct_quantize_c

2514 5.7854 pix_abs8_c

2358 5.4264 pix_abs16_x2_c

1388 3.1942 diff_pixels_c

964 2.2184 ff_estimate_p_frame_motion

852 1.9607 simple_idct_add

768 1.7674 sse16_c

751 1.7283 ff_epzs_motion_search

735 1.6914 pix_norm1_c

619 1.4245 pix_sum_c

561 1.2910 mpeg4_encode_blocks

558 1.2841 encode_thread

269 0.6190 put_no_rnd_pixels16_c

255 0.5868 dct_unquantize_h263_inter_c

......

4. 例子

oprofile 可以分析处理器周期、TLB 失误、分支预测失误、缓存失误、中断处理程序，等等。

你可以使用 opcontrol --list-events 列出当前处理器上可监视事件列表。

下面分析一个编写不当的例子：

[带有cache问题的代码cache.c]

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

int matrix[2047][7];

void bad_access()

{

int k, j, sum = 0;

for(k = 0; k < 7; k++)

for(j = 0; j < 2047; j++)

sum += matrix[j][k] * 1024;

}

int main()

{

int i;

for(i = 0; i < 100000; i++)

bad_access();

return 0;

}

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

编译之： gcc -g cache.c -o cache

使用oprofile 分析之：

opcontrol --init

opcontrol --setup --event=DCACHE_MISSES:500::0:1

opcontrol --start && ./cache && opcontrol --dump && opcontrol --stop

使用 opannotate 分析结果为：

/*

* Command line: opannotate --source ./cachee

*

* Interpretation of command line:

* Output annotated source file with samples

* Output all files

*

* CPU: GODSON2E, speed 0 MHz (estimated)

* Counted ICACHE_MISSES events (Instruction Cache misses number ) with a unit mask of 0x00 (No unit mask) count 500

*/

/*

* Total samples for file : "/comcat/test/pmc.test/cachee.c "

*

* 34 100.000

*/

:int matrix[2047][7];

:

:void bad_access()

:{ /* bad_access total: 33 97.0588 */

: int k, j, sum = 0;

:

: for(k = 0; k < 7; k++)

33 97.0588 : for(j = 0; j < 2047; j++)

: sum += matrix[j][k] * 1024;

:

:}

:

:int main()

:{ /* main total: 1 2.9412 */

: int i;

:

1 2.9412 : for(i = 0; i < 10000; i++)

: bad_access();

:

: return 0;

:

:}

:

opreport 解析的结果为：

GodSonSmall:/comcat/test/pmc.test# opreport -l ./cache

CPU: GODSON2E, speed 0 MHz (estimated)

Counted ICACHE_MISSES events (Instruction Cache misses number ) with a unit mask of 0x00 (No unit mask) count 500

samples % symbol name

33 97.0588 bad_access

1 2.9412 main

可以看到bad_access() cache miss 事件的样本共有33个，占总数的97%

改进 bad_access() 为 good_access() 后：

void good_access()

{

int k, j, sum = 0;

for(k = 0; k < 2047; k++)

for(j = 0; j < 7; j++)

sum += matrix[k][j] * 1024;

}

CPU: GODSON2E, speed 0 MHz (estimated)

Counted ICACHE_MISSES events (Instruction Cache misses number ) with a unit mask of 0x00 (No unit mask) count 500

samples % symbol name

22 95.6522 good_access

1 4.3478 main

可以看到改进后 cache miss 事件的样本减少为22个，占总数的95%
http://www.lemote.com/bbs/viewthread.php?tid=7973