基于libperf和libtraceevent库实现简单的监控框架，提供比perf更灵活的特性。
- 数据不落盘。
- 数据过滤，基于tracepoint的过滤机制，减少数据量。
- 数据实时处理并输出。不需要存盘后再处理。
- 基于perf_event_open系统调用。
虽然比perf更灵活，但不能替代perf。perf灵活的符号处理，支持大量的event，支持很多硬件PMU特性。
# ./perf-monitor --help
Usage: perf-monitor [OPTION...]
Monitor based on perf_event
USAGE:
perf-monitor split-lock [-T trigger] [-C cpu] [-G] [-i INT] [--test]
perf-monitor irq-off [-L lat] [-C cpu] [-g] [-m pages] [--precise]
perf-monitor profile [-F freq] [-i INT] [-C cpu] [-g] [-m pages] [--exclude-*] [-G] [--than PCT]
perf-monitor cpu-util [-i INT] [-C cpu] [--exclude-*] [-G]
perf-monitor trace -e event [--filter filter] [-C cpu] [-g]
perf-monitor signal [--filter comm] [-C cpu] [-g] [-m pages]
perf-monitor task-state [-S] [-D] [--than ms] [--filter comm] [-C cpu] [-g] [-m pages]
perf-monitor watchdog [-F freq] [-g] [-m pages] [-C cpu] [-v]
perf-monitor kmemleak --alloc tp --free tp [-m pages] [-g] [-v]
perf-monitor percpu-stat -i INT [-C cpu] [--syscalls]
perf-monitor kvm-exit [-C cpu] [-i INT] [--percpu] [--than us]
EXAMPLES:
perf-monitor split-lock -T 1000 -C 1-21,25-46 -G # Monitor split-lock
perf-monitor irq-off -L 10000 -C 1-21,25-46 # Monitor irq-off
--alloc=tp memory alloc tracepoint/kprobe
-C, --cpu=CPU Monitor the specified CPU, Dflt: all cpu
-D, --uninterruptible TASK_UNINTERRUPTIBLE
-e, --event=event event selector. use 'perf list tracepoint' to list available tp events
--exclude-guest exclude guest
--exclude-kernel exclude kernel
--exclude-user exclude user
--filter=filter event filter/comm filter
--free=tp memory free tracepoint/kprobe
-F, --freq=n profile at this frequency, Dflt: 100, No profile: 0
-g, --call-graph Enable call-graph recording
-G, --guest Monitor GUEST, Dflt: false
-i, --interval=INT Interval, ms
-L, --latency=LAT Interrupt off latency, unit: us, Dflt: 20ms
-m, --mmap-pages=pages number of mmap data pages and AUX area tracing mmap pages
--percpu print percpu stat
--precise Generate precise interrupt
--syscalls trace syscalls
-S, --interruptible TASK_INTERRUPTIBLE
--test Split-lock test verification
--than=ge Greater than specified time, ms/us/percent
-T, --trigger=T Trigger Threshold, Dflt: 1000, No trigger: 0
-v, --verbose Verbose debug output
-?, --help Give this help list
--usage Give a short usage message
Mandatory or optional arguments to long options are also mandatory or optional
for any corresponding short options.
监控框架采用模块化设计，目前支持一些基础的监控模块：
- split-lock，监控硬件pmu，发生split-lock的次数，以及触发情况。
- irq-off，监控中断关闭的情况。
- profile，分析采样栈，可以分析内核态CPU利用率超过一定百分比抓取内核态栈。
- cpu-util，cpu利用率监控，可以监控到guest模式的CPU利用率。派生自profile。
- trace，读取某个tracepoint事件。
- signal，监控给特定进程发送的信号。
- task-state，监控进程处于D、S状态的时间，超过指定时间可以打印栈。
- watchdog，监控hard、soft lockup的情况，在将要发生时，预先打印出内核栈。
- kmemleak，监控alloc、free的情况，判断可能的内存泄露。
- kvm-exit，监控虚拟化指令的延迟。
每个监控模块都需要定义一个struct monitor 结构，来指定如何初始化、过滤、释放监控事件，以及如何处理采样到的监控事件。
一个最简单demo例子。
struct monitor monitor_signal = {
.name = "signal",
.pages = 2,
.init = signal_init,
.filter = signal_filter,
.deinit = signal_exit,
.sample = signal_sample,
};
ONITOR_REGISTER(monitor_signal)
定义模块初始化、过滤、销毁、处理采样等接口。
static int signal_init(struct perf_evlist *evlist, struct env *env)
{
struct perf_event_attr attr = {
.type = PERF_TYPE_TRACEPOINT,
.config = 0,
.size = sizeof(struct perf_event_attr),
.sample_period = 1,
.sample_type = PERF_SAMPLE_TID | PERF_SAMPLE_TIME | PERF_SAMPLE_CPU | PERF_SAMPLE_RAW |
(env->callchain ? PERF_SAMPLE_CALLCHAIN : 0),
.read_format = 0,
.pinned = 1,
.disabled = 1,
.exclude_callchain_user = 1,
.wakeup_events = 1, //1个事件
};
struct perf_evsel *evsel;
int id;
if (monitor_ctx_init(env) < 0)
return -1;
id = tep__event_id("signal", "signal_generate");
if (id < 0)
return -1;
attr.config = id;
evsel = perf_evsel__new(&attr);
if (!evsel) {
return -1;
}
perf_evlist__add(evlist, evsel);
return 0;
}
定义perf_event_attr表示监控的事件。
tep__event_id("signal", "signal_generate")，获取signal:signal_generate tracepoint点的id。
perf_evsel__new(&attr)，根据perf事件，创建evsel。1个evsel表示一个特点的事件，拿着这个事件可以到对应的cpu、线程上创建出perf_event。
perf_evlist__add(evlist, evsel)，加到evlist。一个evlist表示一组evsel事件。
定义event的属性。可以指定perf命令定义的所有事件。
- 硬件pmu事件
- breakpoint事件
- cpu事件
- uncore事件
- tracepoint点事件
- kprobe事件
- uprobe事件
可以通过ls /sys/bus/event_source/devices命令看到所有的事件类型。
-
perf_event_attr.type 事件类型
PERF_TYPE_* 通过`cat /sys/bus/event_source/devices/*/type`获取类型。 -
perf_event_attr.config 事件配置
根据不同的type, config值不一样。 PERF_TYPE_TRACEPOINT: config 指定tracepoint点的id. PERF_TYPE_HARDWARE: config 指定特定的参数PERF_COUNT_HW_* -
perf_event_attr.sample_period 采样周期
定义采样周期, 发生多少次事件之后, 发起1个event到ring buffer -
perf_event_attr.sample_type 采样类型
PERF_SAMPLE_* 定义放到ring buffer的事件, 需要哪些字段 -
perf_event_attr.comm
PERF_RECORD_COMM 记录进程comm和pid/tid的对应关系, 可以用于libtraceevent模块中tep_register_comm, 之后tep_print_event(ctx.tep, &s, &record, "%s", TEP_PRINT_COMM)就能打印出进程名 这样只能收集新创建进程的名字, 已启动进程的pid使用/proc/pid/comm来获取. -
perf_event_attr.task
PERF_RECORD_FORK/PERF_RECORD_EXIT 记录进程创建和退出事件 -
perf_event_attr.context_switch
PERF_RECORD_SWITCH/PERF_RECORD_SWITCH_CPU_WIDE 记录进程切换信息
static void signal_sample(union perf_event *event)
{
// in linux/perf_event.h
// PERF_SAMPLE_TID | PERF_SAMPLE_TIME | PERF_SAMPLE_CPU | PERF_SAMPLE_RAW
struct sample_type_data {
struct {
__u32 pid;
__u32 tid;
} tid_entry;
__u64 time;
struct {
__u32 cpu;
__u32 reserved;
} cpu_entry;
struct {
__u32 size;
__u8 data[0];
} raw;
} *data = (void *)event->sample.array;
tep__update_comm(NULL, data->tid_entry.tid);
print_time(stdout);
tep__print_event(data->time/1000, data->cpu_entry.cpu, data->raw.data, data->raw.size);
}
根据perf_event_attr.sample_type来定义采样的事件的字段，可以还原出一个结构体。
tep__print_event，打印tracepoint事件。
TRACEEVENT_PLUGIN_DIR
export TRACEEVENT_PLUGIN_DIR=$(pwd)/lib/traceevent/plugins
可以加载libtraceevent的插件
监控hard、soft lockup的情况，在将要发生时，预先打印出内核栈。
总共监控5个事件。
- timer:hrtimer_expire_entry，加上过滤器，用于跟踪watchdog_timer_fn的执行。
- timer:hrtimer_start，加上过滤器，监控watchdog_timer的启动。
- timer:hrtimer_cancel，加上过滤器，监控watchdog_timer的取消。
- sched:sched_switch，加上过滤器，监控watchdog线程的运行。
- pmu:bus-cycles，用于定时发起NMI中断，采样内核栈。
在pmu:bus-cycles事件发生时，判断hard lockup，如果预测将要发生硬死锁，就输出抓取的内核栈。
在timer:hrtimer_expire_entry事件发生时，判断soft lockup，如果预测将要发生软死锁，就输出线程调度信息和pmu:bus-cycles事件采样的内核栈。
在发生hardlockup时，一般伴随着长时间关闭中断，可能会导致其他cpu执行也卡住，导致perf-monitor工具也无法执行。这样的场景，可以借助crash来分析内核perf_event的ring buffer来获取到一定的栈。虽然工具无法执行，但采样还是会持续采的。
用法:
perf-monitor watchdog -F 1 -g
-F, --freq=n 指定采样的频率，采样是使用内核的pmu事件，会发起nmi中断，-F指定发起nmi中断的频率。
-g, --call-graph 抓取内核栈，发起pmu事件时，把内核态栈采样到。
-C, --cpu=CPU 指定在哪些cpu上启用watchdog监控，不指定默认会读取/proc/sys/kernel/watchdog_cpumask来确定所有启用的CPU，默认开启nohzfull的cpu不启用watchdog。
分析采样栈，可以分析内核态CPU利用率超过一定百分比抓取内核态栈。
统计cpu利用率，利用pmu可以过滤用户态和内核态的功能，统计1秒内内核态的cycle数，除以tsc频率，就能计算出%sys占比。
共监控1个事件。
- pmu:ref-cycles，参数时钟默认以固定频率运行，以tsc的频率运行。会先从内核获取tsc_khz的频率，然后固定间隔采样。
用法:
perf-monitor profile [-F freq] [-i INT] [-C cpu] [-g] [-m pages] [--exclude-*] [--than PCT]
例子:
perf-monitor profile -F 100 -C 0 -g --exclude-user --than 30 #对cpu0采样，在内核态利用率超过30%打印内核栈。
perf-monitor profile -F 0 -i 1000 -C 0 --exclude-user --exclude-guest #禁用cpu0采样，但以1000ms间隔输出%sys利用率。
-F, --freq=n 以固定频率采样。
-i, --interval=INT 以固定间隔输出cpu利用率统计信息。单位ms
-C, --cpu=CPU 指定在哪些cpu上采样栈。
-g, --call-graph 抓取采样点的栈。
--exclude-user 过滤掉用户态的采样，只采样内核态，可以减少采样点。降低cpu压力。
--exclude-kernel 过滤掉内核态采样，只采样用户态。
--exclude-guest 过滤掉guest，保留host。
-G, --guest 过滤掉host，保留guest。
--than=PCT 百分比，指定采样的用户态或者内核态超过一定百分比才输出信息，包括栈信息。可以抓取偶发内核态占比高的问题。
分析进程状态（睡眠状态，不可中断状态），在指定状态停留超过一定时间打印出内核栈。
共监控2个事件：
- sched:sched_switch，获取进程切换出去时的状态，及进程切换的时间。
- sched:sched_wakeup，获取进程唤醒时刻，用于计算在指定状态停留的时间。
还需要利用ftrace提供的filter功能，过滤特定的进程名，特定的进程状态。
用法:
perf-monitor task-state [-S] [-D] [--than ms] [--filter comm] [-C cpu] [-g] [-m pages]
例子:
perf-monitor task-state -D --than 100 --filter nginx -g # 打印nginx进程D住超过100ms的栈。
-S, --interruptible TASK_INTERRUPTIBLE S状态进程
-D, --uninterruptible TASK_UNINTERRUPTIBLE D状态进程
--than=ms Greater than specified time, ms 在特定状态停留超过指定时间，ms单位。
--filter=filter event filter/comm filter 过滤进程名字
-g, --call-graph Enable call-graph recording 抓取栈
-m, --mmap-pages=pages number of mmap data pages and AUX area tracing mmap pages
-C, --cpu=CPU Monitor the specified CPU, Dflt: all cpu
分析内存泄露，一般内存分配都对应alloc和free两个点。内存泄露，alloc之后永远不会释放。
工具原理：
- 在alloc点抓到对应的内存分配信息，进程id、comm、内核栈、分配时间。并存到alloc链表里。
- 在free点，从alloc链表查找alloc信息。能找到，说明正确的分配和释放，删除alloc链表的记录。找不到说明在工具启动前分配的，直接丢弃。
- alloc和free之间通过
ptr指针关联起来。动态增加的alloc/free tracepoint点需要ptr指针。 - 在工具结束时，打印所有alloc链表的信息。即为，最可能的内存泄露点。工具执行时间越久，越能得到最准确的信息。
可以解决内核kmemleak工具不支持percpu内存泄露问题。
共监控2个事件：
- alloc，需要自己指定，可以是
kmem:kmalloc、pcpu_alloc等分配内存点。alloc点需要获取内核栈。 - free，需要自己指定，与alloc相对应。可以是
kmem:kfree、free_percpu等释放内存点。free点不需要栈信息。
用法:
perf-monitor kmemleak --alloc tp --free tp [-m pages] [-g] [-v]
例子:
echo 'r:alloc_percpu pcpu_alloc ptr=$retval' >> /sys/kernel/debug/tracing/kprobe_events #ptr指向分配的内存地址
echo 'p:free_percpu free_percpu ptr=%di' >> /sys/kernel/debug/tracing/kprobe_events
perf-monitor kmemleak --alloc kprobes:alloc_percpu --free kprobes:free_percpu -m 8 -g
--alloc=tp memory alloc tracepoint/kprobe
--free=tp memory free tracepoint/kprobe
-g, --call-graph Enable call-graph recording
-m, --mmap-pages=pages number of mmap data pages and AUX area tracing mmap pages
-v, --verbose Verbose debug output
在虚拟化场景，大部分指令都不需要退出到kvm模块，但少量特权指令需要退出，由kvm模块拦截并模拟执行指令。该工具可以监控指令执行的耗时分布。
类似perf trace -s可以统计系统调用耗时分布一样，perf-monitor kvm-exit可以统计特权指令的耗时分布。
共监控2个tracepoint点：
- kvm:kvm_exit，特权指令退出到kvm模块。
- kvm:kvm_entry，特权指令执行完成，进入guest。
用法:
perf-monitor kvm-exit [-C cpu] [-i INT] [--percpu] [--than us] [-v]
例子:
perf-monitor kvm-exit -C 5-20,53-68 -i 1000 --than 1000 #统计CPU上的特权指令耗时,每1000ms输出一次,并打印耗时超过1000us的日志
-C, --cpu=CPU Monitor the specified CPU, Dflt: all cpu
-i, --interval=INT Interval, ms
--percpu print percpu stat 打印每个cpu的统计信息
--than=ge Greater than specified time, us 微妙单位
-m, --mmap-pages=pages number of mmap data pages and AUX area tracing mmap pages
-v, --verbose Verbose debug output
例子输出
$ ./perf-monitor kvm-exit -C 5-20,53-68 -i 1000 --than 1000
2021-12-12 16:11:10.214139 <...> 206966 .N.. [017] 15504452.408994: kvm:kvm_exit: reason EXTERNAL_INTERRUPT rip 0xffffffff81c01f58 info 0 800000fd
2021-12-12 16:11:10.214203 <...> 206966 d... [017] 15504452.412981: kvm:kvm_entry: vcpu 20
2021-12-12 16:11:10.287391 <...> 206966 .N.. [017] 15504452.473318: kvm:kvm_exit: reason EXTERNAL_INTERRUPT rip 0xffffffff81063be2 info 0 800000fd
2021-12-12 16:11:10.287441 <...> 206966 d... [017] 15504452.485435: kvm:kvm_entry: vcpu 20
2021-12-12 16:11:10.437325
kvm-exit latency(ns) : count distribution
0 -> 255 : 0 | |
256 -> 511 : 2728 |** |
512 -> 1023 : 53994 |****************************************|
1024 -> 2047 : 12247 |********* |
2048 -> 4095 : 718 | |
4096 -> 8191 : 82 | |
8192 -> 16383 : 10 | |
16384 -> 32767 : 1 | |
32768 -> 65535 : 1 | |
65536 -> 131071 : 0 | |
131072 -> 262143 : 0 | |
262144 -> 524287 : 0 | |
524288 -> 1048575 : 0 | |
1048576 -> 2097151 : 0 | |
2097152 -> 4194303 : 1 | |
4194304 -> 8388607 : 0 | |
8388608 -> 16777215 : 1 | |
exit_reason calls total(us) min(us) avg(us) max(us)
-------------------- -------- ---------------- --------- --------- ------------
HLT 40619 24054882.841 0.690 592.207 15776.440
MSR_WRITE 65240 56540.696 0.450 0.866 9.316
EXTERNAL_INTERRUPT 2035 17504.350 0.465 8.601 12116.764
VMCALL 2173 4309.715 0.865 1.983 8.601
PAUSE_INSTRUCTION 202 226.786 0.546 1.122 3.497
IO_INSTRUCTION 37 217.492 1.703 5.878 34.496
CPUID 96 82.303 0.611 0.857 2.506
可以看的有2次EXTERNAL_INTERRUPT退出，处理超过1000us，并输出对应的tracepoint点信息。
React
Typescript
Django
Laravel
Facebook
Microsoft
Google
Alibaba
D3
Tencent