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性能分析利器:火焰图

什么是火焰图

        火焰图(FlameGraph)是是由 Linux 性能优化大师 Brendan Gregg 发明的。通过 perf 等工具分析得到结果,看起来就像是火焰,这也是它的名字的由来。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。

        火焰图就像是给一个软件系统拍的 X 光照片,可以很自然地把时间和空间两个维度上的信息融合在一张图上,以非常直观的形式展现出来,从而反映系统在性能方面的很多定量的统计规律。

火焰图类型

ON-CPU和OFF-CPU

         off-CPU 时间一般是这个进程因为某种原因处于休眠状态,比如说在等待某一个系统级别的锁,或者被一个非常繁忙的进程调度器(scheduler)强行剥夺 CPU 时间片。通过这个维度上的信息,我们可以分析系统锁方面的开销(比如 sem_wait 这样的系统调用),某些阻塞的 I/O 操作(例如 open、read 之类),还可以分析进程或线程之间争用 CPU 的问题。通过 off-CPU 火焰图,都一目了然。

如何看懂火焰图

        y 轴表示调用栈, 每一层都是一个函数。调用栈越深, 火焰就越高, 顶部就是采样时正在执行的函数, 下方都是它的父函数。

        x 轴表示抽样数, 如果一个函数在 x 轴占据的宽度越宽, 就表示它被抽到的次数多, 即执行的时间长,说明它是瓶颈原因的可能性就越大。注意, x 轴不代表时间, 而是所有的调用栈合并后, 按字母顺序排列的。

        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。

        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。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。

案例

on-cpu 火焰图

        在进行压测时,发现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

         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。

        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。 

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