使用 oprofile 分析性能瓶颈

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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。
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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。
 
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。

2014年11月11日 (二) 11:53的最后版本

目录

[编辑] 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。



[编辑] 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。



[编辑] 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
......



[编辑] 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%













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