火焰图：全局视野的Linux性能剖析

　　文章背景

　　日常的工作中，会收到一堆CPU使用率过高的告警邮件，遇到某台服务的CPU被占满了，这时候我们就要去查看是什么进程将服务器的CPU资源占用满了。通常我们会通过top或者htop来快速的查看占据CPU最高的那个进程，如下图：

　　这里是通过一个普通的服务器做演示使用，如图所示当前服务器占用CPU最高的是一个叫做kube-apiserver命令运行的一个进程，该进程的PID为25633,当然你可能遇到一个服务器上运行有多个服务，想快速知道占用率最高的那几个进程的话，你可以使用以下命令:

　　ps aux|head -1;ps -aux | sort -k3nr | head -n 10 //查看前10个最占用CPU的进程
ps aux|head -1;ps -aux | sort -k4nr | head -n 10 //查看前10个最占用内存的进程


　　但是通过以上的方法获取到服务器占用资源的进程之后，还是不知道CPU使用究竟耗时在哪里,不清楚瓶颈在哪里，此时就可以通过Linux系统的性能分析工具perf分析，分析其返回的正在消耗CPU的函数以及调用栈。然后可以通过解析perf采集的数据，渲染到火焰图，就清楚的知道究竟占用系统CPU资源的罪魁祸首了。

　　在制作火焰图之前，需要先来说说这个Linux性能分析工具perf,该工具是一个相对简单易上手的性能分析工具，是Performance单词的缩写，通过其perf的命令选项完成系统事件的采集到解析，我们来简单的认识一下：

　　linux上的性能分析工具Perf安装perf

　　我目前的服务器发行版是Ubuntu 16.04.6 LTS因此需要先安装perf才能使用，该工具由linux-tools-common提供，但是它需要安装后面的依赖。

　　#安装
root@master:~# apt install linux-tools-common linux-tools-4.4.0-142-generic linux-cloud-tools-4.4.0-142-generic -y

　　root@master:~# perf -v #显示perf的版本
perf version 4.4.167


　　在安装完成时候，我们就可以对上图CPU使用率最高的进程ID为25633的进程进行采样分析。

　　首先我们采集一下该进程的调用栈信息:

　　root@master:~# sudo perf record -F 99 -p 25633 -g -- sleep 30
[ perf record: Woken up 1 times to write data ]
[ perf record: Captured and wrote 0.039 MB perf.data (120 samples) ]


　　这个命令会产生一个大的数据文件，取决于你采集的进程与CPU的配置，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。上面的命令中，perf record表示记录，-F 99表示每秒99次，-p 25633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，参数信息可以视情况调整。生成的数据采集文件在当前目录下，名称为perf.data。

　　perf record命令可以从高到低排列统计每个调用栈出现的百分比，显示结果如下图所示:

　　root@master:~# sudo perf report -n --stdio


　　这样的效果对使用者来说还是不那么直观易读，这时候，火焰图也就真正的派上用途了。

　　制作火焰图

　　火焰图并非一定就是火焰系列的颜色主题，只是通过色系更能表达出含义。火焰图常见的类型有 On-CPU [1], Off-CPU [2], 还有 Memory [3], Hot/Cold [4], Differential [5] 等等.on-CPU/off-cpu的区别就是一个是用于CPU是性能瓶颈，一个是IO是性能瓶颈，当你不知道当前的服务器的性能瓶颈究竟是什么的时候，你可以使用这两种类型进行对比，通过两种火焰图的差别是比较大的，如果两张火焰图长得差不多, 那么通常认为CPU被其它进程抢占了.

　　另外一种情况就是如果无法确定当前的系统瓶颈, 可以通过压测工具来确认 : 通过压测工具看看能否让CPU使用率趋于饱和, 如果能那么使用On-CPU火焰图, 如果不管怎么压, CPU 使用率始终上不来, 那么多半说明程序被IO或锁卡住了, 此时适合使用Off-CPU火焰图. 你可以通过压测工具进行测试，目前比较常用的就是ab和wrk，我建议尝试使用诸如 wrk [6] 之类更现代的压测工具.

如果选择 ab 的话, 那么务必记得开启 -k 选项, 以避免耗尽系统的可用端口

　　Github上有Brendan D. Gregg的Flame Graph工程实现了一套生成火焰图的脚本.我们可以直接克隆下来直接用。

　　cd && git clone https://github.com/brendangregg/FlameGraph.git


　　生成火焰图，我们一般都遵循以下流程

　　捕获堆栈: 使用perf捕捉进程运行堆栈信息

　　折叠堆栈: 对抓取的系统和程序运行每一时刻的堆栈信息进行分析组合, 将重复的堆栈累积在一起, 从而体现出负载和关键路径，通过stackcollapse脚本完成

　　生成火焰图：分析 stackcollapse 输出的堆栈信息渲染成火焰图

　　Flame Graph中提供了抓取不同信息的脚本，可以按需使用。下面我们需要对捕获到的进程堆栈信息perf.data进行折叠，生成折叠的堆栈信息:

　　root@master:~# perf script -i /root/perf.data &> /root/perf.unfold


　　用stackcollapse-perf.pl将 perf 解析出的内容perf.unfold中的符号进行折叠

　　root@master:~/FlameGraph# ls
aix-perf.pl docs example-perf.svg pkgsplit-perf.pl stackcollapse-aix.pl stackcollapse-go.pl stackcollapse-ljp.awk stackcollapse-pmc.pl stackcollapse-vsprof.pl test.sh
demos example-dtrace-stacks.txt files.pl range-perf.pl stackcollapse-bpftrace.pl stackcollapse-instruments.pl stackcollapse-perf.pl stackcollapse-recursive.pl stackcollapse-vtune.pl
dev example-dtrace.svg flamegraph.pl README.md stackcollapse-elfutils.pl stackcollapse-java-exceptions.pl stackcollapse-perf-sched.awk stackcollapse-sample.awk stackcollapse-xdebug.php
difffolded.pl example-perf-stacks.txt.gz jmaps record-test.sh stackcollapse-gdb.pl stackcollapse-jstack.pl stackcollapse.pl stackcollapse-stap.pl test
root@master:~/FlameGraph# ./stackcollapse-perf.pl /root/perf.unfold &> /root/perf.folded
root@master:~/FlameGraph#


　　最后就是生成火焰图了

　　root@master:~/FlameGraph# ./flamegraph.pl /root/perf.folded > /root/perf.svg


　　当然也可以通过管道符|将整个过程简化:

　　cd && perf script | FlameGraph/stackcollapse-perf.pl | FlameGraph/flamegraph.pl > process.svg


　　最后在谷歌浏览器上打开该火焰图:

　　火焰图是基于stack信息生成的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.

　　当调用栈不完整调用栈过深时，某些系统只返回前面的一部分（比如前10层）;当函数名缺失，函数没有名字，编译器只用内存地址来表示（比如匿名函数），所以使用火焰图也是存在分析不到的地方。你也可以通过以下脚本进行采集分析火焰图:

　　if [ $# -ne 1 ];then
echo "Usage: $0 seconds"
exit 1
fi
perf record -a -g -o perf.data &
PID=`ps aux| grep "perf record"| grep -v grep| awk '{print $2}'`
if [ -n "$PID" ]; then
sleep $1
kill -s INT $PID
fi
# wait until perf exite
sleep 1

　　perf script -i perf.data &> perf.unfold
perl stackcollapse-perf.pl perf.unfold &> perf.folded
perl flamegraph.pl perf.folded >perf.svg参考资料

　　[1]

　　On-CPU: http://www.brendangregg.com/FlameGraphs/cpuflamegraphs.html

　　[2]

　　Off-CPU: http://www.brendangregg.com/FlameGraphs/offcpuflamegraphs.html

　　[3]

　　Memory: http://www.brendangregg.com/FlameGraphs/memoryflamegraphs.html

　　Hot/Cold: http://www.brendangregg.com/FlameGraphs/hotcoldflamegraphs.html

　　[5]

　　Differential: http://www.brendangregg.com/blog/2014-11-09/differential-flame-graphs.html

　　[6]

　　wrk: https://github.com/wg/wrk