perf stat 输出解读

原文链接：http://zhengheng.me/2015/11/12/perf-stat/

 

• task-clock：用于执行程序的CPU时间，单位是ms(毫秒)。第二列中的CPU utillized则是指这个进程在运行perf的这段时间内的CPU利用率，该数值是由task-clock除以最后一行的time elapsed(也就是wall time，真实时间，单位为秒，下面的M/sec等数值都是除以这个数得到的)再除以1000得出的。

• context-switches：程序在运行过程中发生的上下文切换次数。这个指标值大家都很熟悉，就不细说了。

• cpu-migrations：程序在运行过程中发生的CPU迁移次数，即被调度器从一个CPU转移到另外一个CPU上运行。

  这里要注意下CPU迁移和上下文切换的不同之处：发生上下文切换时不一定会发生CPU迁移，而发生CPU迁移时肯定会发生上下文切换。发生上下文切换时有可能只是把上下文从当前CPU中换出，下一次调度器还是将进程安排在这个CPU上执行。

• page-faults：缺页。指当内存访问时先根据进程虚拟地址空间中的虚拟地址通过MMU查找该内存页在物理内存的映射，没有找到该映射，则发生缺页，然后通过CPU中断调用处理函数，从物理内存中读取。见下图所示的例子(MMU，Memory Management Unit，是CPU中负责将负责虚拟地址映射为物理地址的单元)：

• cycles：CPU时钟周期。CPU从它的指令集(instruction set)中选择指令执行。一个指令包含以下的步骤，每个步骤由CPU的一个叫做功能单元(functional unit)的组件来进行处理，每个步骤的执行都至少需要花费一个时钟周期。

• 指令读取(instruction fetch)
• 指令解码(instruction decode)
• 执行(execute)
• 内存访问(memory access)

• 寄存器回写(register write-back)

  第二列中的1.023G Hz这个值不是固定的，猜测(需要再查下资料)可能是在这段时间内的时钟频率(CPU时钟频率也可以由内核发起请求修改，或者由处理器自己动态调整。如内核空闲线程(kernel idle thread)可以请求CPU降低频率来节省能源)。

• stalled-cycles：字面意义是停滞周期，先介绍下instruction pipeline(姑且翻译为指令管道)：指令管道是一种可以并行执行多个指令的CPU架构，通过同时执行不同的指令的不同组合实现。这类似于工厂的组装线，产品的不同阶段可以并行执行以提高吞吐量。考虑前面提到的指令步骤，如果每个步骤需要一个时钟周期，该指令则需要五个时钟周期来完成执行。在这个指令的每个单独的步骤中，只有一个功能单元是运行的，而其他四个是空闲的。通过使用指令管道，多个功能单元可以在同一时间运行，在管道中处理不同的指令。在理想状态下，处理器可以在一个时钟周期中完成一个指令。而stalled-cycles，则是指令管道未能按理想状态发挥并行作用，发生停滞的时钟周期。stalled-cycles-frontend指指令读取或解码的指令步骤，而stalled-cycles-backend则是指令执行步骤。第二列中的cycles idle其实意思跟stalled是一样的，由于指令执行停滞了，所以指令管道也就空闲了，千万不要误解为CPU的空闲率。这个数值是由stalled-cycles-frontend或stalled-cycles-backend除以上面的cycles得出的。

• instructions：该进程在这段时间内完成的CPU指令，之前在cycles已介绍过了。这是整个perf stat命令输出中最重要的指标值。第二列中的insns per cycle，简称IPC，表示一个时钟周期内能完成多少个CPU指令。该值越高，表示CPU的性能越好。第二行的stalled cycles per insn，表示完成每个指令，有多少个时钟周期是被停滞的，这个值越小，表示CPU的性能越好。该值是由stalled-cycles-frontend除以instructions得到的。

  为何不用stalled-cycles-backend来除，或两个stalled-cycles加起来再除，个人估计是stalled-cycles-frontend停滞了，肯定stalled-cycles-backend也会停滞，因此可预见前者的值肯定会比后者要大(跑了几次验证确实如此)，因此后者是受前者影响的，用前者来除比较靠谱。

• branches：这段时间内发生分支预测的次数。现代的CPU都有分支预测方面的优化。分支预测有什么好处请见stackoverflow上的这个帖子。

• branches-misses：这段时间内分支预测失败的次数，这个值越小越好。

• L1-dcache-loads：一级数据缓存读取次数。

• L1-dcache-load-missed：一级数据缓存读取失败次数。

• LLC-loads：last level cache读取次数。

• LLC-load-misses：last level cache读取失败次数。

要理解CPU缓存是什么，需要先了解下CPU的缓存架构，如下图：1. level-1 data cache：一级数据缓存(I$) 
2. level-1 inst cache：一级指令缓存(D$) 
3. MMU：内存管理单元 
4. TLB：转换后援缓存(translation lookaside buffer) 
5. level-2 cache：二级缓存(E$) 
6. level-3 cache：三级缓存 
处理器读取数据过程如下面两个图：

1. CPU根据虚拟地址尝试从一级缓存(存放的是虚拟地址的索引)中读取数据；
2. 如果一级缓存中查找不到，则需向MMU请求数据；
3. MMU从TLB中查找虚拟地址的缓存(换言之，TLB是负责改进虚拟地址到物理地址转换速度、存放虚拟地址的缓存)；
4. 如果TLB中存在该虚拟地址的缓存，则MMU将该虚拟地址转化为物理地址，如果地址转换失败，则发生缺页(图中的fault分支)，由内核进行处理，见上文所述；如果地址转换成功，则从二级缓存(存放的是物理地址的索引)中读取；如果二级缓存中也没有，则需要从三级缓存甚至物理内存中请求；
5. 如果TLB中不存在该虚拟地址的缓存，则MMU从物理内存中的转换表(translation tables，也称为页表page tables)中获取，同时存入TLB；(注意，这个操作是硬件实现的，可以由MMU通过硬件直接从物理内存中读取)；
6. 跳到第4步。

由此可见，L1-dcache-load-missed和LLC-load-misses的数值当然是越低越好了。另外还有dTLB-load-misses(dTLB是数据转换后援缓存)和iTLB-load-misses(iTLB是指令转换后援缓存)等指标值，具体可以用perf list看下其他的CPU指标值：

List of pre-defined events (to be used in -e):  cpu-cycles OR cycles                               [Hardware event]instructions                                       [Hardware event]cache-references                                   [Hardware event]cache-misses                                       [Hardware event]branch-instructions OR branches                    [Hardware event]branch-misses                                      [Hardware event]bus-cycles                                         [Hardware event]stalled-cycles-frontend OR idle-cycles-frontend    [Hardware event]stalled-cycles-backend OR idle-cycles-backend      [Hardware event]ref-cycles                                         [Hardware event]cpu-clock                                          [Software event]task-clock                                         [Software event]page-faults OR faults                              [Software event]context-switches OR cs                             [Software event]cpu-migrations OR migrations                       [Software event]minor-faults                                       [Software event]major-faults                                       [Software event]alignment-faults                                   [Software event]emulation-faults                                   [Software event]L1-dcache-loads                                    [Hardware cache event]L1-dcache-load-misses                              [Hardware cache event]L1-dcache-stores                                   [Hardware cache event]L1-dcache-store-misses                             [Hardware cache event]L1-dcache-prefetches                               [Hardware cache event]L1-dcache-prefetch-misses                          [Hardware cache event]L1-icache-loads                                    [Hardware cache event]L1-icache-load-misses                              [Hardware cache event]L1-icache-prefetches                               [Hardware cache event]L1-icache-prefetch-misses                          [Hardware cache event]LLC-loads                                          [Hardware cache event]LLC-load-misses                                    [Hardware cache event]LLC-stores                                         [Hardware cache event]LLC-store-misses                                   [Hardware cache event]LLC-prefetches                                     [Hardware cache event]LLC-prefetch-misses                                [Hardware cache event]dTLB-loads                                         [Hardware cache event]dTLB-load-misses                                   [Hardware cache event]dTLB-stores                                        [Hardware cache event]dTLB-store-misses                                  [Hardware cache event]dTLB-prefetches                                    [Hardware cache event]dTLB-prefetch-misses                               [Hardware cache event]iTLB-loads                                         [Hardware cache event]iTLB-load-misses                                   [Hardware cache event]branch-loads                                       [Hardware cache event]branch-load-misses                                 [Hardware cache event]

用-e选项指定相应的指标值，如：

perf stat -e cycles,instructions,L1-dcache-loads,L1-dcache-load-misses,LLC-loads,LLC-load-misses,dTLB-loads,dTLB-load-misses -p 316 sleep 10