测试 使用 perf 进行性能分析时如何获取准确的调用栈

ifonly · 2020年02月27日 · 101 次阅读

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perf 是 Linux 下重要的性能分析工具，perf 可以通过采样获取很多性能指标，其中最常用的是获取 CPU Cycles，即程序各部分代码运行所需的时间，进而确定性能瓶颈在哪。不过在实际使用过程中发现，简单的使用perf record -g 获取到的调用栈是有问题的，存在大量 [Unknown] 函数，从 perf report 的结果来看这些部分对应地址大部分都是非法地址，且生成的火焰图中存在很多明显与代码矛盾的调用关系。

最初怀疑是优化级别的问题，然而尝试使用 Og 或 O0 优化依然存在此问题，仔细阅读 perf record 的手册后发现，perf 同时支持 3 种栈回溯方式：fp, dwarf, lbr，可以通过 --call-graph 参数指定，而 -g 就相当于 --call-graph fp.

栈回溯方式

fp 就是 Frame Pointer，即 x86 中的 EBP 寄存器，fp 指向当前栈帧栈底地址，此地址保存着上一栈帧的 EBP 值，具体可参考此文章的介绍，根据 fp 就可以逐级回溯调用栈。然而这一特性是会被优化掉的，而且这还是 GCC 的默认行为，在不手动指定 -fno-omit-frame-pointer 时默认都会进行此优化，此时 EBP 被当作一般的通用寄存器使用，以此为依据进行栈回溯显然是错误的。不过尝试指定 -fno-omit-frame-pointer 后依然没法获取到正确的调用栈，根据 GCC 手册的说明，指定了此选项后也并不保证所有函数调用都会使用 fp…… 看来只有放弃使用 fp 进行回溯了。

dwarf 是一种调试文件格式，GCC 编译时附加的 -g 参数生成的就是 dwarf 格式的调试信息，其中包括了栈回溯所需的全部信息，使用 libunwind 即可展开这些信息。dwarf 的进一步介绍可参考 “关于 DWARF”，值得一提的是，GDB 进行栈回溯时使用的正是 dwarf 调试信息。实际测试表明使用 dwarf 可以很好的获取到准确的调用栈。

最后 perf 还支持通过 lbr 获取调用栈，lbr 即 Last Branch Records，是较新的 Intel CPU 中提供的一组硬件寄存器，其作用是记录之前若干次分支跳转的地址，主要目的就是用来支持 perf 这类性能分析工具，其详细说明可参考 “An introduction to last branch records” & “Advanced usage of last branch records”。此方法是性能与准确性最高的手段，然而它存在一个很大的局限性，由于硬件 Ring Buffer 寄存器的大小是有限的，lbr 能记录的栈深度也是有限的，具体值取决于特定 CPU 实现，一般就是 32 层，若超过此限制会得到错误的调用栈。

测试

实际测试下以上 3 种栈回溯方式得到的结果，测试程序是一个调用深度为 50 的简单程序，从 f0() 依次调用至 f50()。

--call-graph fp：

--call-graph lbr：

--call-graph dwarf：

可以看到，的确只有 dwarf 获取到了正确的调用栈。

总结

	优点	缺点
fp	None	1. 默认 fp 被优化掉了根本不可用。
lbr	1. 高效准确	1. 需要较新的 Intel CPU 才有此功能；2. 能记录的调用栈深度有限。
dwarf	1. 准确	1. 开销相对较大；2. 需要编译时附加了调试信息。