程序员精进之路:性能调优利器 -- 火焰图

作者:厉辉,腾讯 CSIG 后台开发工程师

本文主要分享火焰图使用技巧,介绍 systemtap 的原理机制,如何使用火焰图快速定位性能问题原因,同时加深对 systemtap 的理解。

让我们回想一下,曾经作为编程新手的我们是如何调优程序的?通常是在没有数据的情况下依靠主观臆断来瞎蒙,稍微有些经验的同学则会对差异代码进行二分或者逐段调试。这种定位问题的方式不仅耗时耗力,而且还不具有通用性,当遇到其他类似的性能问题时,需要重复踩坑、填坑,那么如何避免这种情况呢?

俗语有曰:兵欲善其事必先利其器,个人认为,程序员定位性能问题也需要一件“利器”。如同医生给病人看病,需要依靠专业的医学工具(比如 X 光片、听诊器等)进行诊断,最后依据医学工具的检验结果快速精准的定位出病因所在。性能调优工具(比如 perf / gprof 等)之于性能调优就像 X 光之于病人一样,它可以一针见血的指出程序的性能瓶颈。

但是常用的性能调优工具 perf 等,在呈现内容上只能单一的列出调用栈或者非层次化的时间分布,不够直观。这里我推荐大家配合使用火焰图,它将 perf 等工具采集的数据呈现得更为直观。

初识火焰图

火焰图(Flame Graph)是由 Linux 性能优化大师 Brendan Gregg 发明的,和所有其他的 profiling 方法不同的是,火焰图以一个全局的视野来看待时间分布,它从底部往顶部,列出所有可能导致性能瓶颈的调用栈。

火焰图整个图形看起来就像一个跳动的火焰,这就是它名字的由来。

火焰图有以下特征(这里以 on-cpu 火焰图为例):

  • 每一列代表一个调用栈,每一个格子代表一个函数
  • 纵轴展示了栈的深度,按照调用关系从下到上排列。最顶上格子代表采样时,正在占用 CPU 的函数。
  • 横轴的意义是指:火焰图将采集的多个调用栈信息,通过按字母横向排序的方式将众多信息聚合在一起。需要注意的是它并不代表时间。
  • 横轴格子的宽度代表其在采样中出现频率,所以一个格子的宽度越大,说明它是瓶颈原因的可能性就越大。
  • 火焰图格子的颜色是随机的暖色调,方便区分各个调用信息。
  • 其他的采样方式也可以使用火焰图, on-cpu 火焰图横轴是指 CPU 占用时间,off-cpu 火焰图横轴则代表阻塞时间。
  • 采样可以是单线程、多线程、多进程甚至是多 host,进阶用法可以参考附录进阶阅读。

火焰图类型

常见的火焰图类型有 On-CPU,Off-CPU,还有 Memory,Hot/Cold,Differential 等等。他们分别适合处理什么样的问题呢?

这里笔者主要使用到的是 On-CPU、Off-CPU 以及 Memory 火焰图,所以这里仅仅对这三种火焰图作比较,也欢迎大家补充和斧正。

火焰图分析技巧

  1. 纵轴代表调用栈的深度(栈桢数),用于表示函数间调用关系:下面的函数是上面函数的父函数。
  2. 横轴代表调用频次,一个格子的宽度越大,越说明其可能是瓶颈原因。
  3. 不同类型火焰图适合优化的场景不同,比如 on-cpu 火焰图适合分析 CPU 占用高的问题函数,off-cpu 火焰图适合解决阻塞和锁抢占问题。
  4. 无意义的事情:横向先后顺序是为了聚合,跟函数间依赖或调用关系无关;火焰图各种颜色是为方便区分,本身不具有特殊含义
  5. 多练习:进行性能优化有意识的使用火焰图的方式进行性能调优(如果时间充裕)

如何绘制火焰图?

要生成火焰图,必须要有一个顺手的动态追踪工具,如果操作系统是 Linux 的话,那么通常通常是 perf 或者 systemtap 中的一种。其中 perf 相对更常用,多数 Linux 都包含了 perf 这个工具,可以直接使用;SystemTap 则功能更为强大,监控也更为灵活。网上关于如何使用 perf 绘制火焰图的文章非常多而且丰富,所以本文将以 SystemTap 为例。

SystemTap 是动态追踪工具,它通过探针机制,来采集内核或者应用程序的运行信息,从而可以不用修改内核和应用程序的代码,就获得丰富的信息,帮你分析、定位想要排查的问题。SystemTap 定义了一种类似的 DSL 脚本语言,方便用户根据需要自由扩展。不过,不同于动态追踪的鼻祖 DTrace ,SystemTap 并没有常驻内核的运行时,它需要先把脚本编译为内核模块,然后再插入到内核中执行。这也导致 SystemTap 启动比较缓慢,并且依赖于完整的调试符号表。

使用 SystemTap 绘制火焰图的主要流程如下:

  • 安装 SystemTap 以及 操作系统符号调试表
  • 根据自己所需绘制的火焰图类型以及进程类型选择合适的脚本
  • 生成内核模块
  • 运行 SystemTap 或者运行生成的内核模块统计数据
  • 将统计数据转换成火焰图

本文演示步骤将会基于操作系统 Tlinux 2.2

安装 SystemTap 以及 操作系统符号调试表

使用 yum 工具安装 systemtap:



yum install systemtap systemtap-runtime


由于 systemtap 工具依赖于完整的调试符号表,而且生产环境不同机器的内核版本不同(虽然都是 Tlinux 2.2 版本,但是内核版本后面的小版本不一样,可以通过 uname -a 命令查看)所以我们还需要安装 kernel-debuginfo 包、 kernel-devel 包 我这里是安装了这两个依赖包



kernel-devel-3.10.107-1-tlinux2-0046.x86_64


kernel-debuginfo-3.10.107-1-tlinux2-0046.x86_64


根据自己所需绘制的火焰图类型以及进程类型选择合适的脚本

使用 SystemTap 统计相关数据往往需要自己依照它的语法,编写脚本,具有一定门槛。幸运的是,GitHub 上春哥(agentzh)开源了两组他常用的 SystemTap 脚本:openresty-systemtap-toolkitstapxx,这两个工具集能够覆盖大部分 C 进程、nginx 进程以及 Openresty 进程的性能问题场景。

我们这里需要绘制 off-cpu 火焰图,所以使用 sample-bt-off-cpu 脚本即可

生成内核模块

现在我们有了统计脚本,也安装好了 systemtap,正常来说就可以使用了,但由于 systemtap 是通过生成内核模块的方式统计相关探针的统计数据,而 tlinux 要求所有运行的内核模块需要先到 tlinux 平台签名才可以运行,所以:

故需要先修改 off-cpu 脚本,让其先生成内核模块;之后对该内核模块作签名;最后使用 systemtap 命令手工运行该脚本,统计监控数据

Systemtap 执行流程如下:



  • parse:分析脚本语法
  • elaborate:展开脚本 中定义的探针和连接预定义脚本库,分析内核和内核模块的调试信息
  • translate:.将脚本编译成 c 语言内核模块文件放 在 $HOME/xxx.c 缓存起来,避免同一脚本多次编译
  • build:将 c 语言模块文件编译成。ko 的内核模块,也缓存起来。
  • 把模块交给 staprun,staprun 加载内核模块到内核空间,stapio 连接内核模块和用户空间,提供交互 IO 通道,采集数据。

所以我们这里修改下 off-cpu 的 stap 脚本,让其只运行完第四阶段,只生成一个内核模块



// 在 stap 命令后增加 -p4 参数,告诉 systemtap,当前只需要执行到第四阶段


open my $in, "|stap -p4 --skip-badvars --all-modules -x $pid -d '$exec_path' --ldd $d_so_args $stap_args -"


or die "Cannot run stap: $!\n";


修改好之后运行脚本,会生成一个内核模块



// -p 8682 是需要监控的进程的进程号


// -t 30 是指会采样 30 秒


./sample-bt-off-cpu -p 8692 -t 30


生成的内核模块名称形如 stap_xxxxx.k 模块名称 由于读者并不需要关心内核模块签名,故章节略过

运行内核模块统计数据

内核模块签名完成后,便可以使用 staprun 命令手工运行相关内核模块了

命令:



// 注意:签名脚本会将生产的内核模块重命名,需要将名字改回去……(脚本 bug)


staprun -x {进程号} {内核模块名} > demo.bt


值得注意的是,监控的进程要有一定负载 systemtap 才可以采集到相关数据,即在采集时,同时需要要有一定请求量(通常是自己构造请求,压测进程)

将统计数据转换成火焰图

获得了统计数据 demo.bt 后,便可以使用火焰图工具绘制火焰图了

下载 FlameGraph,链接:

https://github.com/brendangregg/FlameGraph

命令:



./stackcollapse-stap.pl demo.bt > demo.folded


./flamegraph.pl demo.folded > demo.svg


这样便获得了 off-cpu 火焰图:

### 看图说话

趁热打铁,通过几张火焰图熟悉下如何使用火焰图

图片来自于春哥微博或者个人近期定位的问题

on-cpu 火焰图

Apache APISIX QPS 急剧下降问题

Apache APISIX 是一个开源国产的高性能 API 网关,之前在进行选型压测时,发现当 Route 匹配不中场景下, QPS 急剧下降,在其 CPU (四十八核)占用率几乎达到 100% 的情况下只有几千 QPS,通过绘制火焰图发现,其主要耗时在一个 table 插入阶段(lj_cf_table_insert),分析代码发现是该 table 一直没有释放,每次匹配不中路由会插入数据,导致表越来越大,后续插入耗时过长导致 QPS 下降。

off-cpu 火焰图

nginx 互斥锁问题

这是一张 nginx 的 off-cpu 火焰图,我们可以很快锁定到 ngx_common_set_cache_fs_size -> ngx_shmtx_lock -> sem_wait 这段逻辑使用到了互斥锁,它让 nginx 进程绝大部分阻塞等待时间花费在获取该锁。

agent 监控上报断点问题

这是一张 agent 的 off-cpu 火焰图,它是一个多线程异步事件模型,主线程处理各个消息,多个线程分别负责配置下发或者监控上报的职责。当前问题出现在监控上报性能差,无法在周期(一分钟)内完成监控数据上报,导致监控断点,通过 off-cpu 火焰图我们可以分析出,该上报线程花费了大量的时间使用 curl_easy_perform 接口收发 http 监控数据消息中。

依据火焰图将发送 http 消息的逻辑改为异步非阻塞后,该问题解决。

附录

进阶阅读

FAQ

使用 perf 或者 systemtap 的方式采集数据,会对后台服务有性能影响吗?

有,但是很小,可以基本忽略不计。

它们使用系统的探针或者使用一些自定义的动态探针进行数据采集,第一对代码无侵入性,它既不需要停止服务,也不需要修改应用程序的代码;第二,它们是以内核模块/内核原生的方式跟踪用户态和内核态的所有事件,并通过一系列优化措施,进行采样统计,对目标服务性能影响极小,大概在 5% 左右或者更低的性能损耗。相较于将进程运行在沙箱的 valgrind 工具或静态调试工具 gdb 来说,动态追踪 perf 或者 systemtap 或者 ebpf 的性能损耗基本可以忽略不计。

目标进程重启后,systemtap 是否需要重新生成内核模块?

不需要。甚至同一个 Linux 内核版本下的同一个二进制进程(md5 值一致),在安装 kernel 调试符号表后,便可以在生成采集指标的内核模块,并且可以多次使用。

当 Linux 内核版本不一致,符号表有变化,需要重新生成内核模块;当目标进程二进制文件重新编译后,也需要重新生成统计用的 systemtap 内核模块。


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