Streamline中基于統(tǒng)計的性能分析功能介紹
2020-04-24
ARM性能分析器(Streamline) 7.0版開始支持基于SPE(統(tǒng)計性能分析擴展)的性能分析。SPE是Armv8.2-A架構(gòu)中的一個可選擴展特性，它可以以很低的代價對處理器的流水線進行采樣。Streamline可以從Arm Development Studio和Arm Mobile Stuido獲取。
為什么需要SPE?
Streamline前序版本只能通過硬件計數(shù)器和軟中斷中采樣PC信息獲取CPU的信息。硬件計數(shù)器只記錄觸發(fā)事件加總數(shù)，不可能知道具體哪條指令觸發(fā)了事件，它只能大致提供應(yīng)用程序哪塊代碼觸發(fā)了這個計數(shù)器增加，而往往這塊代碼區(qū)域都比較大，這也導(dǎo)致了能通過這個信息來確定問題的開發(fā)者有限。同時因為采樣和解析都是通過中斷中的軟件來完成的，這也導(dǎo)致了程序計數(shù)器和棧的采樣率也是有限，太高的頻率會導(dǎo)致增大系統(tǒng)負載。SPE通過利用CPU流水線中的硬件對PC值進行周期性采樣來避免前面提到的問題，因此采樣率可以很高，并且沒有性能負擔。因為SPE是構(gòu)建在處理器流水線里面，它可以直接采集每條指令相關(guān)的附加信息，這方便我們進一步分析執(zhí)行代碼。
工具支持
Streamline支持同時收集系統(tǒng)/應(yīng)用模式下的SPE數(shù)據(jù)和其他性能計數(shù)器數(shù)據(jù)。
它支持圖形化顯示下列SPE數(shù)據(jù)：
l 延遲計數(shù)包。它計算指令從觸發(fā)到執(zhí)行完畢的延遲，可以用來鑒別流水線中的執(zhí)行停滯。這個計數(shù)包也提供存儲存取延遲信息，這可以用來識別高延遲的存儲訪問和糟糕的緩存用法。
l 事件包。它提供每個被采樣指令的重要信息。包括下面信息：
l 這條指令是否access/hit/miss某級緩存
l 這條指令是否是錯誤預(yù)測或者沒有采用的分支
l 這條指令是否導(dǎo)致互斥讀寫失敗
事件包可以用來識別分支預(yù)測，糟糕的緩存試用，鎖競爭等問題。
數(shù)據(jù)源包，顯示數(shù)據(jù)從哪一級存儲中獲取。
這些數(shù)據(jù)可以通過時間線顯示這些事件發(fā)生的順序，也可以在函數(shù)調(diào)用路徑，代碼試圖中看到。這讓用戶可以追蹤到線程，函數(shù)，代碼行和指令行。
先決條件
使用SPE需要硬件支持相應(yīng)的擴展，內(nèi)核需要使能arm_spe_pmu，設(shè)備樹或者UEFI需要支持SPE。此外，SPE目前需要KPTI失效(啟動kernel的時候設(shè)置kpti=off)，這個要求在Arm后續(xù)處理器上可能不需要。可以通過檢查是否存在/sys/bus/events/devices/arm_spe_0文件驗證內(nèi)核是否支持SPE。檢查dmesg的輸出是否有
Kernel/User page tables isolation: enabled
或者查看/sys/devices/system/cpu/vulnerabilities/meltdown是否包含Mitigation: PTI if enabled.
為了使用SPE，你需要有一個支持SPE的設(shè)備，或者使用arm的虛擬平臺FVP。本文使用Arm Neoverse N1 SDP。如果你想在虛擬平臺上測試，你可以使用FVP_Base_RevC-2xAEMv8A。Arm Mobile Studio支持SPE,但是目前還沒有消費級的Android設(shè)備支持SPE,本文重點使用Arm Development Studio中的Streamline進行演示。
Neoverse N1 SDP配置
本文使用Arm Neoverse N1 Software Development Platform運行一個基于Linux 5.4.1內(nèi)核的環(huán)境。除了需要使能Streamline需要的內(nèi)核選項和前面的提到的內(nèi)核選項，不需要其他特殊配置。Neoverse N1 SDP 是一款針對服務(wù)器市場的開發(fā)平臺，目前尚未公開，只有早期客戶才能獲取。該平臺內(nèi)含一顆Neoverse N1處理器，第一個支持SPE的處理器。
FVP配置
如果你希望在arm虛擬平臺上嘗試SPE功能，可以通過下面參數(shù)使能SPE :
-C cluster0.has_armv8-2=1 -C cluster0.has_statistical_profiling=1
-C cluster1.has_armv8-2=1 -C cluster1.has_statistical_profiling=1
因為FVP并不包含時序信息，所有的指令周期都只需要一個cycle，所以在FVP上的延遲計數(shù)器包中顯示延遲都是0.同時FVP也不模擬分支預(yù)測，所以所有的分支預(yù)測都顯示正確。
緩存模型可以被使能，使能后，SPE可以顯示緩存模型行為的相關(guān)事件。
開工
在設(shè)備上Gatord需要用root啟動。Arm Development Studio用戶可以通過下面命令進行全系統(tǒng)分析。
/path/to/gatord
也可以通過下面的命令對某個應(yīng)用進行分析
/path/to/gatord --system-wide no --app <some-app-to-launch>
啟動Streamline，連上設(shè)備，從計數(shù)器配置窗口可以看到Arm SPE(Statistical Profiling Extension)配置界面
Figure 1 SPE配置對話框
這個對話框可以讓用戶基于操作類型，事件，最小延遲過濾出感興趣的事件。所有的操作默認都會被采樣，但也可以只采樣某種分支，存取操作的組合。相似的，也可以只采樣一些事件來進一步降低采樣量。過濾設(shè)置可以針對某類問題降低采集的數(shù)據(jù)量。比如低總延遲可以用來提取除緩存外的內(nèi)存操作。錯誤預(yù)測事件可以用來尋找那些觸發(fā)錯誤的程序分支。盡管硬件允許，Streamline目前并不能讓用來設(shè)置采樣率。目前采樣率是每100000指令采樣一次。Streamline下一個版本，7.2，會支持配置采樣率。
Note: SPE運行時每隔n個指令進行一次采樣，看其是否滿足filter條件再送給Streamline后臺，而不是過濾所有樣本后每隔n條指令進行采樣。當Streamline采集數(shù)據(jù)到本地文件時，--spe選項參數(shù)可以用來控制SPE采樣配置。
檢查數(shù)據(jù)
下圖顯示添加了更多SPE計數(shù)器的時間圖。SPE事件包內(nèi)的多種屬性顯示再堆疊圖上。這些圖顯示了某種屬性在樣本中存在和不存在的比例。白色方塊中顯示再所選事件內(nèi)包含某種屬性樣本的總和。有些屬性和某些特定類型的指令相關(guān)，比如分支，存取。
比如Architecturally retired圖顯示了采樣的指令后完成了和沒有完成的數(shù)量,總量顯示了冒險執(zhí)行的總指令量。類似地， Level 1 Data Cache Access圖顯示了采樣指令中含有對L1數(shù)據(jù)緩存存取指令總數(shù)，以及hit/miss比例。
Note：這些圖標不會實時顯示，經(jīng)過離線分析后會顯示。
這些事件圖顯示了被采樣進程的行為概述，可以用來進一步通過分析試圖來分析感興趣區(qū)域的細節(jié)。分析視圖中默認顯示采集過程中每個計數(shù)器和事件發(fā)生次數(shù)總和。當你發(fā)現(xiàn)感興趣區(qū)域，卡尺工具可以用來再分析視圖中過濾出感興趣區(qū)域的數(shù)據(jù)。
Figure 2使用cross-section標記選擇感興趣區(qū)域，本圖顯示一個對L2緩存利用率不足的benchmark的SPE計數(shù)器，采樣模板使用實驗性N1 SPE模板
進一步分析
Streamline有很多視圖用來進一步分析理解被分析對象的行為。這包括調(diào)用路徑欄，函數(shù)視圖欄和代碼欄。
調(diào)用路徑欄
調(diào)用路徑視圖顯示了按照進程和線程顯示的調(diào)用棧。因為SPE只是采樣PC而不是調(diào)用棧，每個進程中的函數(shù)只是平鋪展開。默認情況，本視圖只顯示傳統(tǒng)的周期性采樣數(shù)據(jù)，為了顯示SPE數(shù)據(jù)，從下拉菜單中選擇SPE。
Figure 3下拉菜單顯示調(diào)用棧
事件包顯示了每個函數(shù)中符合條件和不符合條件的采樣比例，以及每個線程和進程中事件的加總數(shù)。通過點擊第一列的表，可以將這些比例單獨成列用來排序，這些獨立的列顯示了符合條件的事件量，以及占總量的比例。通過對這些列的排序，可以確定哪些函數(shù)導(dǎo)致緩存存取失敗，或哪些函數(shù)導(dǎo)致分支預(yù)測失敗率高。
Figure 4 可配置顯示列
Figure 5基于L1數(shù)據(jù)緩存存取失敗排序的函數(shù)
延遲計數(shù)器以Log2(Latency)為橫軸的直方圖顯示，列按照0延遲，1 cycle延遲，2-3 cycles延遲，4-7 cycles延遲，8-15 cycles延遲等等，直至采集到的大延遲。
Figure 6 可能的延遲例子，深色的部分顯示所有延遲中的高延遲部分，一行中的高一些的柱圖顯示一行中的高延遲
調(diào)用路徑視圖的下半部分顯示子視圖。對于周期性的調(diào)用棧采樣，它會用來顯示某個選擇的函數(shù)下的所有函數(shù)調(diào)用占所有采樣中的比例。但是SPE數(shù)據(jù)只會將進程/線程中的函數(shù)平鋪展開，這里只會顯示進程/線程中函數(shù)占用父進程/線程中調(diào)用比例(A函數(shù)在子線程/進程中被調(diào)用次數(shù)除以A函數(shù)在父子進程中調(diào)用次數(shù))。
Figure 7調(diào)用路徑子視圖，顯示一個線程的所有函數(shù)
函數(shù)欄
函數(shù)視圖欄顯示了所有進程的中函數(shù)列表。和調(diào)用路徑欄一樣，函數(shù)欄也有一個下拉菜單選擇顯示數(shù)據(jù)。類似地，每個列也可以通過點擊頭部添加刪除。
Figure 8函數(shù)欄，顯示L1數(shù)據(jù)緩存存取失敗的SPE數(shù)據(jù)
代碼欄
點擊代碼欄或者在調(diào)用路徑視圖，函數(shù)欄中右鍵選擇一個函數(shù)即刻看到相關(guān)代碼欄。和前面二種視圖有所不同，本視圖一次只顯示一列。你可以從下拉菜單中進行相應(yīng)選擇配置視圖。
Figure 9使用下拉菜單選擇代碼視圖配置
反匯編顯示基于每條指令的計數(shù)器變化，比如可以顯示每條指令的延遲。
Figure 10反匯編視圖
如果分析的程序包含調(diào)試信息，視圖還會顯示代碼行信息，如果運行Streamline的機器上關(guān)聯(lián)了被調(diào)試程序的源碼，代碼欄的上半部分會顯示被選擇函數(shù)的源碼，同時每行代碼運行帶來的計數(shù)器變化也會顯示。這可以用來識別函數(shù)中需要特別處理代碼塊。
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摘自arm中文論壇網(wǎng)
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