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火焰图系列之使用火焰图隐藏功能提高绘制精度

由于CPU能耗优化的原因,火焰图有时并不准确。为此,我们来做一个小实验。

由于CPU能耗优化的原因,火焰图有时并不准确。为此,我们来做一个小实验。

1.小实验

这是一个简单C程序,其实就是一个死循环,如下:

#include<stdio.h>
int globalv;
void dosth()
{
  globalv++;
}
int main()
{
  globalv = 0;
  for(;;)
    dosth();
  return 0;
}

编译后可执行程序名为 func。接下来我开了两个终端,分别使用 tasksetfunc运行在CPU0和CPU1上:

taskset 0x1 ./func
taskset 0x2 ./func

然后使用bcc+flamegraph绘制火焰图:

/bcc/profile -I -F 99 -daf 10 > out.profile
/mnt/sdb/FlameGraph/flamegraph.pl < out.profile > out.svg

得到的火焰图:

我的测试环境是Qemu/KVM, 32核。

我们可以看到,火焰图显示, func程序占用了近四分之一的CPU时间。但是由于我们把 func绑定在CPU0和1上执行,根据小学数学我们应该可以计算出来 func最多占用 2/32=6.25%的时间。

是不是有点不对?

2.原因

由于Linux会对CPU进行能耗优化,在低负载的时候,CPU并不是满负荷工作(降频),因此对于Idle的CPU,bcc的采样数会减少,从而导致总采样数减少。我们可以看到,我们的采样频率是99个样本/(min*CPU)。运行了10s,那么总的样本数应该大约为 99*10*32=31680。而实际的总采样数只有8197。分母小了,自然 func占用的CPU时间比例增加了。

3.解决办法

当然,我们可以修改CPUfreq强制让所有满负荷工作。但是这样一来麻烦,二来我的测试环境是虚拟机,修改起来更加麻烦。我们希望用一个简单的方法解决。

这就要提到flamegraph的隐藏功能了。为什么叫隐藏功能?因为如果你简单地 ./flamegraph.pl--help他不会告诉你这个用法。但是实际上他已经实现了这个功能,语法是:

./flamegraph.pl --total=N < out.profile > out2.svg

其中N为用户规定的总采样数。在我们的示例中,应该是31680。这样,我们绘制出来的火焰图是这个样子的:

嗯,的确有点丑,但是6.26%才是 func真正消耗了的CPU时间比例。

4.关于CPU时间准确性的讨论

怎样才算是绘制了准确的火焰图呢?

考虑如下情形,如果CPU1满负荷运转执行 func110秒钟,而CPU2半负荷运转执行 func25秒钟,剩下5s是idle。

算法1::实际上 func1func2一起是占用了15s的CPU时间。根据计算, func占用的时间占总时间的 15s/(10s*32)=4.69%

算法2:如果按照上面第三节所描述的方法绘制火焰图,采样结果应该是 func1有大约990个样本, 990/2/2=248个样本,绘制出来的火焰图 func占比为 990+248)/31680=3.9%

两者不相等!笔者认为,原因在于二者算法所获结果的含义不同。算法1计算出来的是在这种运行情形下实际 func的执行时间占比。而算法2计算出来(或者说绘制出来)的是在CPU满负荷运转下func的CPU时间占比。从现实来看,不同背景负载,不同情形下同一个workload的运行时间可能不同。当系统负载加重时,Linux会自动控制CPUfreq将CPU频率增加。单单查看在某一个情形下workload的CPU执行时间意义有限。但是,对于一个workload而言,他所需要占用的计算资源量往往是相同的。因此,从程序优化角度而言,采用第三节所描述的方法计算CPU满负载下应用程序的时间占比对于我们优化代码更具有指导性意义。


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