Coolbpf 在perf 事件中的增强

1、perf 简介

 Perf 是内置于 Linux 内核源码树中的性能剖析（profiling）工具。它基于事件采样的原理，以性能事件为基础，支持针对处理器相关性能指标与操作系统相关性能指标的性能剖析。

1.1、perf 框架

主要有两部分组成

Perf Tools：用户态的 Perf Tools 为用户提供了一系列丰富的工具集用于收集、分析性能数据。

Perf Event Subsystem：Perf Event 子系统是内核众多子系统中的一员，其主要功能是和 Perf Tool 共同完成数据采集的工作。另外，Linux Hard Lockup Detector 也是通过 Perf Event 子系统来实现的。

 本文将重点围绕 Perf Event 子系统展开介绍Coolbpf 在perf 事件中的增强。

1.2、perf 事件分类

perf的事件包括：

硬件事件：branch-instrctions / branch-miss / bus-cycles / cache-miss / cache-reference / cycles / instructions

硬件cache事件：d1-cached-miss

软件事件：cpu-clocks / tasks-clock ....

tracepoint事件：sched_stat_runtime / syscalls...

probe事件：可用户定义

1.3、当前perf 工具集中的不足

 当前perf工具以命令行为主，缺乏完善的第三方应用开发sdk，导致perf功能虽然强大，但是功能相对比较封闭，无法适应特定场景的问题。比如说常见的CPU system 占用率高的问题，我们通常使用perf record 来记录系统热点，再通过 FlameGraph 工具转换成火焰图进行分析。该方法存在以下不足：

sys占用率高很有可能只是偶发性问题，通过监控发现了以后再来执行命令，现象很有可能已经消失，持续性追踪会导致样本数太大，无法凸显出热点函数；

sys占用率高只是部分cpu现象，具体cpu编号并不确定，导致定向抓取事件操作步骤会变得非常繁琐；

perf 命令只能输出中间文件，要生成常用的火焰图数据还需要手工转换；

2、Coolbpf 针对perf 增强

Coolbpf 是一个便捷高效的一站式eBPF开发编译平台，当perf遇见Coolbpf后，会碰撞出什么样的火花呢？Coolbpf 为perf提供了应用开发的SDK，让开发者可以借助eBPF快速开发 perf 应用。

2.1、Coolbpf perf 组织架构

 大致流程和常规的Coolbpf 应用开发过程基本一致。主要分为

libbpf 应用、

perf 事件处理、

用户态处理、  接下来我们以 testPerf.py为例，讲解perf 典型应用开发。

（文件：https://gitee.com/anolis/coolbpf/blob/master/lcc/pylcc/guide/testPerf.py）

2.2、bpf 应用部分

  bpf 应用和其它的kprobe/tp代码实现并无明显差别:

#include "lbc.h"

SEC("perf_event")
int bpf_prog(struct bpf_perf_event_data *ctx)
{
    bpf_printk("hello perf
");
    return 0;
}

char _license[] SEC("license") = "GPL";

2.3、perf event

 Coolbpf 对perf_attr 做了python 化处理，故使用在配置 perf attr的时候，只需要参考 perf 官方文档中关于attr 配置说明进行配置即可。下面的例子是追踪 perf PAGE_FAULTS事件的方法。

    pfConfig = {
            "sample_freq": 50, 
            "freq": 1,
            "type": PerfType.SOFTWARE,
            "config": PerfSwIds.PAGE_FAULTS,
        }
        self.attachPerfEvent("bpf_prog", pfConfig)

 此时系统中的 perf PAGE_FAULTS 事件就可以跟2.2 节的libbpf 代码关联起来。

2.4、用户态处理

 本示例是将捕捉到的事件输出到 /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe。用户可以根据自己的情况去执行event 回调或者分析maps 信息。

3、实战应用

 根据1.3 节的应用场景，需要追踪一个偶发性sys 冲高问题。在常规perf 使用存在困难的情况下，可以基于Coolbpf快速开发一个追踪sys高问题的应用程序，代码总共不超过180行，具体实现可以参考：perfSys.py(https://gitee.com/anolis/surftrace/blob/master/tools/pylcc/pytool/perfSys.py)

 应用实现流程图如下：

 可以直接追踪到对应的sys高调用栈

通过上述方法，可以将原本需要花费多日守候才有可能捕捉到现场的疑难问题，缩短到完全无人值守，问题复现瞬间即可锁定目标的小case。

4、总结

 Coolbpf 融合了libbpf灵活、高效、安全的优势，结合perf强大的数据收集能力，并自身拥有快速部署、资源高效利用、结果直观可视化输出能力。如今两两联合，应用前景非常广泛，如性能剖析、应用观测、系统调优等。

审核编辑：彭静