初识火焰图

24 September 2016

火焰图的分类

压测程序时，火焰图能够帮助我们直观地了解到程序的性能瓶颈。本文主要是记录下在生成火焰图的时候的一些注意事项。以下链接是对每个类别的火焰图的详细说明。

On-CPU：CPU Flame Graphs
Off-CPU：Off-CPU Flame Graphs
Memory：Memory Leak (and Growth) Flame Graphs
Hot/Cold：Hot/Cold Flame Graphs
Differential：Differential Flame Graphs

关于火焰图的PPT（讲解得非常详细）：Blazing Performance with Flame Graphs

如何生成火焰图

首先是需要在程序运行时，对其进行采样。linux下常用的有perf和systemtap，我这里用了systemtap来做实验，因为已经牛人写好了一些systemtap相应的脚本可以直接拿来用了：nginx-systemtap-toolkit。

systemtap依赖的安装：

1、CentOS

shell> yum install yum-utils
shell> yum install kernel-devel
shell> debuginfo-install kernel
shell> yum install systemtap

在执行debuginfo-install kernel的时候，没能安装成功，于是就直接到http://debuginfo.centos.org/7下载相应的包手动安装了。

2、Debian

shell> apt-get install systemtap linux-image-`uname -r`-dbg linux-headers-`uname -r`

systemtap的工作原理：

systemtap脚本——>翻译为C程序——>编译为内核模块——>安装到内核上运行，开始采样——>结束采样，从内核卸载

我用nginx-systemtap-toolkit提供的两个perl脚本（它们会根据参数生成相应的systemtap脚本并执行）做了实验：

sample-bt：用来生成 On-CPU 火焰图的采样数据
sample-bt-off-cpu：用来生成 Off-CPU 火焰图的采样数据

注意事项：

1、普通用户身份无法执行systemtap。

2、什么时候开始采样？

当执行sample-bt -p 50417 -t 5 -u > sample.bt的时候，需要等到输出类似Tracing pid (exec_path) in kernel|user -space...的时候才真正开始采样。可以为sample-bt加多一个参数-a '-vv'就可以看到一些debug输出。

3、理解On-CPU采样的工作原理

原理是定时地判断当前cpu上运行的进程是否为要采样的进程，如果是的话就根据设置的采样点进行采样。

如果被采样的进程一直处于就绪状态，没有被调度执行，那么你将会看到sample-bt的输出如下面这样：

为何没有停止呢？这就需要从sample-bt生成的systemtap脚本看看有没什么线索了：

执行sample-bt -p 114356 -t 5 -u -a '-vv' -d ，这里多加了一个-d参数，让sample-bt输出生成的systemtap脚本：

/*
target()是systemtap的函数库Tapset提供的，用于获取当前采样的进程pid
*/
probe begin {
    warn(sprintf("Tracing %d (/usr/sbin/mysqld) in user-space only...\n", target()))
}


global bts;
global quit = 0;

probe timer.profile {//每个一段时间被调用一次
    if (pid() == target()) {//当前运行的进程与被采样的进程是否为同一个
        if (!quit) {
            bts[ubacktrace()] <<< 1;

        } else {
            //采样停止
            foreach (bt in bts- limit 1024) {
                print_ustack(bt);
                printf("\t%d\n", @count(bts[bt]));
            }

            exit()
        }
    }
}

probe timer.s(5) {//5秒后执行
    nstacks = 0
    foreach (bt in bts limit 1) {
        nstacks++
    }

    if (nstacks == 0) {//没采样到数据直接退出
        warn("No backtraces found. Quitting now...\n")
        exit()

    } else {//采样到数据了，设置停止标志
        warn("Time's up. Quitting now...(it may take a while)\n")
        quit = 1
    }
}

所以上图中重复的输出了Time's up. Quitting now...(it may take a while)是因为开始采样后，timer.profile采样到数据，timer.s设置了停止标志之后，在timer.profile执行时一直没遇到被采样的进程被调度执行。此时只需要让这个进程被调度执行就行了，比如：如果该进程是一个服务，可以发送个请求给它。

对于Off-CPU采样的工作原理，同样可以使用sample-bt-off-cpu -a '-vv' -u -p 114356 -t 5 -d查看生成的systemtap脚本。

生成火焰图的步骤：

采样：sample-bt -p 92869 -t 10 -u -a '-vv' > a.bt
转化为火焰图：stackcollapse-stap.pl a.bt > a.cbt;flamegraph.pl a.cbt > a.svg

测试时生成的一个On-CPU的图片，从图中可看出频繁的tcp connect和close是目前的瓶颈之一：

Linux性能分析 5