我們在《一文看懂Linux性能分析｜perf 原理》一文中介紹過，perf 是基于采樣來對程序進行分析的。采樣的步驟如下：

通過設置一個定時器，定時器的觸發時間可以由用戶設定。

定時器被觸發后，將會調用采集函數收集當前運行環境的數據（如當前正在執行的進程和函數等）。

將采集到的數據寫入到一個環形緩沖區（ring buffer）中。

應用層可以通過內存映射來讀取環形緩沖區中的采樣數據。

上述步驟如下圖所示：

接下來，我們將會介紹 perf 在 Linux 內核中的實現。

事件

perf 是基于事件進行采樣的，上面所說的定時器就是其中一種事件，被稱為：CPU時鐘事件。除了 CPU 時鐘事件外，perf 還支持多種事件，如：

上下文切換事件：當調度器切換進程時觸發。

缺頁異常事件：當進程訪問還沒有映射到物理內存的虛擬內存地址時觸發。

CPU遷移事件：當進程從一個 CPU 遷移到另一個 CPU 時觸發。

...

由于 perf 支持的事件眾多，所以本文只挑選CPU時鐘事件進行分析。

1. perf_event 結構體

Linux 內核使用perf_event結構體來描述一個事件（如 CPU 時鐘事件），其定義如下（由于 perf_event 結構體過于龐大，所以對其進行簡化）：

structperf_event{
...
structlist_headevent_entry;
conststructpmu*pmu;
enumperf_event_active_statestate;
atomic64_tcount;//事件被觸發的次數
...
structperf_event_attrattr;//事件的屬性（由用戶提供）
structhw_perf_eventhw;
structperf_event_context*ctx;//事件所屬的上下文
...
};

我們現在只需關注其中的兩個成員變量：count和ctx。

count：表示事件被觸發的次數。

ctx：表示當前事件所屬的上下文。

count成員變量容易理解，所以就不作詳細介紹了。我們注意到 ctx 成員變量的類型為perf_event_context結構，那么這個結構代表什么？

2. perf_event_context 結構體

因為一個進程可以同時分析多種事件，所以就使用perf_event_context結構來記錄屬于進程的所有事件。我們來看看perf_event_context結構的定義，如下所示：

structperf_event_context{
...
structlist_headevent_list;//連接所有屬于當前上下文的事件
intnr_events;//屬于當前上下文的所有事件的總數
...
structtask_struct*task;//當前上下文屬于的進程
...
};

我們對perf_event_context結構進行了簡化，下面介紹一下各個成員的作用：

event_list：連接所有屬于當前上下文的事件。

nr_events：屬于當前上下文的所有事件的總數。

task：當前上下文所屬的進程。

perf_event_context結構通過event_list字段把所有屬于本上下文的事件連接起來，如下圖所示：

另外，在進程描述結構體task_struct中，有個指向perf_event_context結構的指針。如下所示：

structtask_struct{
...
structperf_event_context*perf_event_ctxp;
...
};

這樣，內核就能通過進程描述結構體的perf_event_ctxp成員，來獲取屬于此進程的事件列表。

3. pmu 結構體

前面我們說過 perf 支持多種事件，而不同的事件應該有不同的啟用和禁用動作。為了讓不同的事件有不同的啟用和禁用動作，所以內核定義了pmu結構。其定義如下：

structpmu{
int(*enable)(structperf_event*event);
void(*disable)(structperf_event*event);
void(*read)(structperf_event*event);
...
};

下面介紹一下各個字段的作用：

enable：啟用事件。

disable：禁用事件。

read：事件被觸發時的回調。

perf_event結構的pmu成員是一個指向pmu結構的指針。如果當前事件是個 CPU 時鐘事件時，pmu成員將會指向perf_ops_cpu_clock變量。

我們來看看perf_ops_cpu_clock變量的定義：

staticconststructpmuperf_ops_cpu_clock={
.enable=cpu_clock_perf_event_enable,
.disable=cpu_clock_perf_event_disable,
.read=cpu_clock_perf_event_read,
};

也就是說：

當要啟用一個 CPU 時鐘事件時，內核將會調用cpu_clock_perf_event_enable()函數來啟用這個事件。

當要禁用一個 CPU 時鐘事件時，內核將會調用cpu_clock_perf_event_disable()函數來禁用這個事件。

當事件被觸發時，內核將會調用cpu_clock_perf_event_read()函數來進行特定的動作。

啟用事件

前面說過，當要啟用一個 CPU 時鐘事件時，內核會調用cpu_clock_perf_event_enable()函數來啟用它。我們來看看cpu_clock_perf_event_enable()函數的實現，代碼如下：

staticint
cpu_clock_perf_event_enable(structperf_event*event)
{
...
perf_swevent_start_hrtimer(event);

return0;
}

從上面代碼可以看出，cpu_clock_perf_event_enable()函數實際上調用了perf_swevent_start_hrtimer()函數來進行初始化工作。我們再來看看perf_swevent_start_hrtimer()函數的實現：

staticvoid
perf_swevent_start_hrtimer(structperf_event*event)
{
structhw_perf_event*hwc=&event->hw;

// 1. 初始化一個定時器，定時器的回調函數為：perf_swevent_hrtimer()
hrtimer_init(&hwc->hrtimer,CLOCK_MONOTONIC,HRTIMER_MODE_REL);
hwc->hrtimer.function=perf_swevent_hrtimer;

if(hwc->sample_period){
...

//2.啟動定時器
__hrtimer_start_range_ns(&hwc->hrtimer,ns_to_ktime(period),0,
HRTIMER_MODE_REL,0);
}
}

從上面的代碼可知，perf_swevent_start_hrtimer()函數主要完成兩件事情：

初始化一個定時器，定時器的回調函數為：perf_swevent_hrtimer()。

啟動定時器。

這個定時器結構保存在perf_event結構的hwc成員中，我們在以后的文章中將會介紹 Linux 高精度定時器的實現。

當定時器被觸發時，內核將會調用perf_swevent_hrtimer()函數來處理事件。我們再來分析一下perf_swevent_hrtimer()函數的實現：

staticenumhrtimer_restart
perf_swevent_hrtimer(structhrtimer*hrtimer)
{
enumhrtimer_restartret=HRTIMER_RESTART;
structperf_sample_datadata;
structpt_regs*regs;
structperf_event*event;
u64period;

//獲取當前定時器所屬的事件對象
event=container_of(hrtimer,structperf_event,hw.hrtimer);

//前面說過，如果是CPU時鐘事件，將會調用cpu_clock_perf_event_read()函數
event->pmu->read(event);

data.addr=0;
//獲取定時器被觸發時所有寄存器的值
regs=get_irq_regs();

...
if(regs){
if(!(event->attr.exclude_idle&¤t->pid==0)){
//最重要的地方：對數據進行采樣
if(perf_event_overflow(event,0,&data,regs))
ret=HRTIMER_NORESTART;
}
}
...
returnret;
}

perf_swevent_hrtimer()函數最重要的操作就是：調用perf_event_overflow()函數對數據進行采樣與收集。perf_event_overflow()函數在后面將會介紹，我們暫時跳過。

那什么時候會啟用事件呢？答案就是：進程被調度到 CPU 運行時。調用鏈如下：

schedule()
└→ context_switch()
   └→ finish_task_switch()
      └→ perf_event_task_sched_in()
         └→ __perf_event_sched_in()
            └→ group_sched_in()
               └→ event_sched_in()
                  └→ event->pmu->enable()
                     └→ cpu_clock_perf_event_enable()

內核通過調用schedule()函數來完成調度工作。從上面的調用鏈可知，當進程選中被調度到 CPU 運行時，最終會調用cpu_clock_perf_event_enable()函數來啟用這個 CPU 時鐘事件。

啟用事件的過程如下圖所示：

所以，當進程被選中并且被調度運行時，內核會啟用屬于此進程的 perf 事件。不難看出，當進程被調度出 CPU 時（停止運行），內核會禁用屬于此進程的 perf 事件。

數據采樣

最后，我們來看看 perf 是怎么進行數據采樣的。

通過上面的分析，我們知道 perf 最終會調用perf_event_overflow()函數來進行數據采樣。所以我們來看看perf_event_overflow()函數的實現，代碼如下：

int
perf_event_overflow(structperf_event*event,intnmi,
structperf_sample_data*data,
structpt_regs*regs)
{
return__perf_event_overflow(event,nmi,1,data,regs);
}

可以看出，perf_event_overflow()函數只是對__perf_event_overflow()函數的封裝。我們接著來分析__perf_event_overflow()函數的實現：

staticint
__perf_event_overflow(structperf_event*event,intnmi,intthrottle,
structperf_sample_data*data,structpt_regs*regs)
{
...
perf_event_output(event,nmi,data,regs);

returnret;
}

從上面代碼可知，__perf_event_overflow()會調用perf_event_output()函數來進行數據采樣。perf_event_output()函數的實現如下：

staticvoid
perf_event_output(structperf_event*event,intnmi,
structperf_sample_data*data,
structpt_regs*regs)
{
structperf_output_handlehandle;
structperf_event_headerheader;

//進行數據采樣，并且把采樣到的數據保存到data變量中
perf_prepare_sample(&header,data,event,regs);
...

//把采樣到的數據保存到環形緩沖區中
perf_output_sample(&handle,&header,data,event);
...
}

perf_event_output()函數會進行兩個操作：

調用perf_prepare_sample()函數進行數據采樣，并且把采樣到的數據保存到 data 變量中。

調用perf_output_sample()函數把采樣到的數據保存到環形緩沖區中。

我們來看看 perf 是怎么把采樣到的數據保存到環形緩沖區的：

void
perf_output_sample(structperf_output_handle*handle,
structperf_event_header*header,
structperf_sample_data*data,
structperf_event*event)
{
u64sample_type=data->type;
...

//1.保存當前IP寄存器地址(用于獲取正在執行的函數)
if(sample_type&PERF_SAMPLE_IP)
perf_output_put(handle,data->ip);

//2.保存當前進程ID
if(sample_type&PERF_SAMPLE_TID)
perf_output_put(handle,data->tid_entry);

//3.保存當前時間
if(sample_type&PERF_SAMPLE_TIME)
perf_output_put(handle,data->time);
...

//n.保存函數的調用鏈
if(sample_type&PERF_SAMPLE_CALLCHAIN){
if(data->callchain){
intsize=1;

if(data->callchain)
size+=data->callchain->nr;

size*=sizeof(u64);

perf_output_copy(handle,data->callchain,size);
}else{
u64nr=0;
perf_output_put(handle,nr);
}
}
...
}

perf_output_sample()通過調用perf_output_put()函數把用戶感興趣的數據保存到環形緩沖區中。

用戶感興趣的數據是在創建事件時指定的，例如，如果我們對函數的調用鏈感興趣，那么可以在創建事件時指定PERF_SAMPLE_CALLCHAIN標志位。

perf 事件可以通過pref_event_open()系統調用來創建，關于pref_event_open()系統調用的使用，讀者可以自行參考相關的資料。

當 perf 把采樣的數據保存到環形緩沖區后，用戶就可以通過mmap()系統調用把環形緩沖區的數據映射到用戶態的虛擬內存地址來進行讀取。由于本文只關心數據采樣部分，所以 perf 的其他實現細節可以參考 perf 的源代碼。

數據采樣的流程如下圖所示：

總結

本文主要介紹了 perf 的 CPU 時鐘事件的實現原理，另外 perf 除了需要內核支持外，還需要用戶態應用程序支持，例如：把采樣到的原始數據生成可視化的數據或者使用圖形化表現出來。

當然，本文主要是介紹 perf 在內核中的實現，用戶態的程序可以參考 Linux 源碼tools/perf目錄下的源代碼。

當然，perf 是非常復雜的，本文也忽略了很多細節（如果把所有細節都闡明，那么篇幅將會非常長），所以讀者如果有什么疑問也可以留言討論。