Documentation/trace/tracepoint-analysis.rst

   1 =========================================================
   2 Notes on Analysing Behaviour Using Events and Tracepoints
   3 =========================================================
   4 :Author: Mel Gorman (PCL information heavily based on email from Ingo Molnar)
   5
   6 1. Introduction
   7 ===============
   8
   9 Tracepoints (see Documentation/trace/tracepoints.rst) can be used without
  10 creating custom kernel modules to register probe functions using the event
  11 tracing infrastructure.
  12
  13 Simplistically, tracepoints represent important events that can be
  14 taken in conjunction with other tracepoints to build a "Big Picture" of
  15 what is going on within the system. There are a large number of methods for
  16 gathering and interpreting these events. Lacking any current Best Practises,
  17 this document describes some of the methods that can be used.
  18
  19 This document assumes that debugfs is mounted on /sys/kernel/debug and that
  20 the appropriate tracing options have been configured into the kernel. It is
  21 assumed that the PCL tool tools/perf has been installed and is in your path.
  22
  23 2. Listing Available Events
  24 ===========================
  25
  26 2.1 Standard Utilities
  27 ----------------------
  28
  29 All possible events are visible from /sys/kernel/tracing/events. Simply
  30 calling::
  31
  32   $ find /sys/kernel/tracing/events -type d
  33
  34 will give a fair indication of the number of events available.
  35
  36 2.2 PCL (Performance Counters for Linux)
  37 ----------------------------------------
  38
  39 Discovery and enumeration of all counters and events, including tracepoints,
  40 are available with the perf tool. Getting a list of available events is a
  41 simple case of::
  42
  43   $ perf list 2>&1 | grep Tracepoint
  44   ext4:ext4_free_inode                     [Tracepoint event]
  45   ext4:ext4_request_inode                  [Tracepoint event]
  46   ext4:ext4_allocate_inode                 [Tracepoint event]
  47   ext4:ext4_write_begin                    [Tracepoint event]
  48   ext4:ext4_ordered_write_end              [Tracepoint event]
  49   [ .... remaining output snipped .... ]
  50
  51
  52 3. Enabling Events
  53 ==================
  54
  55 3.1 System-Wide Event Enabling
  56 ------------------------------
  57
  58 See Documentation/trace/events.rst for a proper description on how events
  59 can be enabled system-wide. A short example of enabling all events related
  60 to page allocation would look something like::
  61
  62   $ for i in `find /sys/kernel/tracing/events -name "enable" | grep mm_`; do echo 1 > $i; done
  63
  64 3.2 System-Wide Event Enabling with SystemTap
  65 ---------------------------------------------
  66
  67 In SystemTap, tracepoints are accessible using the kernel.trace() function
  68 call. The following is an example that reports every 5 seconds what processes
  69 were allocating the pages.
  70 ::
  71
  72   global page_allocs
  73
  74   probe kernel.trace("mm_page_alloc") {
  75         page_allocs[execname()]++
  76   }
  77
  78   function print_count() {
  79         printf ("%-25s %-s\n", "#Pages Allocated", "Process Name")
  80         foreach (proc in page_allocs-)
  81                 printf("%-25d %s\n", page_allocs[proc], proc)
  82         printf ("\n")
  83         delete page_allocs
  84   }
  85
  86   probe timer.s(5) {
  87           print_count()
  88   }
  89
  90 3.3 System-Wide Event Enabling with PCL
  91 ---------------------------------------
  92
  93 By specifying the -a switch and analysing sleep, the system-wide events
  94 for a duration of time can be examined.
  95 ::
  96
  97  $ perf stat -a \
  98         -e kmem:mm_page_alloc -e kmem:mm_page_free \
  99         -e kmem:mm_page_free_batched \
 100         sleep 10
 101  Performance counter stats for 'sleep 10':
 102
 103            9630  kmem:mm_page_alloc
 104            2143  kmem:mm_page_free
 105            7424  kmem:mm_page_free_batched
 106
 107    10.002577764  seconds time elapsed
 108
 109 Similarly, one could execute a shell and exit it as desired to get a report
 110 at that point.
 111
 112 3.4 Local Event Enabling
 113 ------------------------
 114
 115 Documentation/trace/ftrace.rst describes how to enable events on a per-thread
 116 basis using set_ftrace_pid.
 117
 118 3.5 Local Event Enablement with PCL
 119 -----------------------------------
 120
 121 Events can be activated and tracked for the duration of a process on a local
 122 basis using PCL such as follows.
 123 ::
 124
 125   $ perf stat -e kmem:mm_page_alloc -e kmem:mm_page_free \
 126                  -e kmem:mm_page_free_batched ./hackbench 10
 127   Time: 0.909
 128
 129     Performance counter stats for './hackbench 10':
 130
 131           17803  kmem:mm_page_alloc
 132           12398  kmem:mm_page_free
 133            4827  kmem:mm_page_free_batched
 134
 135     0.973913387  seconds time elapsed
 136
 137 4. Event Filtering
 138 ==================
 139
 140 Documentation/trace/ftrace.rst covers in-depth how to filter events in
 141 ftrace.  Obviously using grep and awk of trace_pipe is an option as well
 142 as any script reading trace_pipe.
 143
 144 5. Analysing Event Variances with PCL
 145 =====================================
 146
 147 Any workload can exhibit variances between runs and it can be important
 148 to know what the standard deviation is. By and large, this is left to the
 149 performance analyst to do it by hand. In the event that the discrete event
 150 occurrences are useful to the performance analyst, then perf can be used.
 151 ::
 152
 153   $ perf stat --repeat 5 -e kmem:mm_page_alloc -e kmem:mm_page_free
 154                         -e kmem:mm_page_free_batched ./hackbench 10
 155   Time: 0.890
 156   Time: 0.895
 157   Time: 0.915
 158   Time: 1.001
 159   Time: 0.899
 160
 161    Performance counter stats for './hackbench 10' (5 runs):
 162
 163           16630  kmem:mm_page_alloc         ( +-   3.542% )
 164           11486  kmem:mm_page_free          ( +-   4.771% )
 165            4730  kmem:mm_page_free_batched  ( +-   2.325% )
 166
 167     0.982653002  seconds time elapsed   ( +-   1.448% )
 168
 169 In the event that some higher-level event is required that depends on some
 170 aggregation of discrete events, then a script would need to be developed.
 171
 172 Using --repeat, it is also possible to view how events are fluctuating over
 173 time on a system-wide basis using -a and sleep.
 174 ::
 175
 176   $ perf stat -e kmem:mm_page_alloc -e kmem:mm_page_free \
 177                 -e kmem:mm_page_free_batched \
 178                 -a --repeat 10 \
 179                 sleep 1
 180   Performance counter stats for 'sleep 1' (10 runs):
 181
 182            1066  kmem:mm_page_alloc         ( +-  26.148% )
 183             182  kmem:mm_page_free          ( +-   5.464% )
 184             890  kmem:mm_page_free_batched  ( +-  30.079% )
 185
 186     1.002251757  seconds time elapsed   ( +-   0.005% )
 187
 188 6. Higher-Level Analysis with Helper Scripts
 189 ============================================
 190
 191 When events are enabled the events that are triggering can be read from
 192 /sys/kernel/tracing/trace_pipe in human-readable format although binary
 193 options exist as well. By post-processing the output, further information can
 194 be gathered on-line as appropriate. Examples of post-processing might include
 195
 196   - Reading information from /proc for the PID that triggered the event
 197   - Deriving a higher-level event from a series of lower-level events.
 198   - Calculating latencies between two events
 199
 200 Documentation/trace/postprocess/trace-pagealloc-postprocess.pl is an example
 201 script that can read trace_pipe from STDIN or a copy of a trace. When used
 202 on-line, it can be interrupted once to generate a report without exiting
 203 and twice to exit.
 204
 205 Simplistically, the script just reads STDIN and counts up events but it
 206 also can do more such as
 207
 208   - Derive high-level events from many low-level events. If a number of pages
 209     are freed to the main allocator from the per-CPU lists, it recognises
 210     that as one per-CPU drain even though there is no specific tracepoint
 211     for that event
 212   - It can aggregate based on PID or individual process number
 213   - In the event memory is getting externally fragmented, it reports
 214     on whether the fragmentation event was severe or moderate.
 215   - When receiving an event about a PID, it can record who the parent was so
 216     that if large numbers of events are coming from very short-lived
 217     processes, the parent process responsible for creating all the helpers
 218     can be identified
 219
 220 7. Lower-Level Analysis with PCL
 221 ================================
 222
 223 There may also be a requirement to identify what functions within a program
 224 were generating events within the kernel. To begin this sort of analysis, the
 225 data must be recorded. At the time of writing, this required root:
 226 ::
 227
 228   $ perf record -c 1 \
 229         -e kmem:mm_page_alloc -e kmem:mm_page_free \
 230         -e kmem:mm_page_free_batched \
 231         ./hackbench 10
 232   Time: 0.894
 233   [ perf record: Captured and wrote 0.733 MB perf.data (~32010 samples) ]
 234
 235 Note the use of '-c 1' to set the event period to sample. The default sample
 236 period is quite high to minimise overhead but the information collected can be
 237 very coarse as a result.
 238
 239 This record outputted a file called perf.data which can be analysed using
 240 perf report.
 241 ::
 242
 243   $ perf report
 244   # Samples: 30922
 245   #
 246   # Overhead    Command                     Shared Object
 247   # ........  .........  ................................
 248   #
 249       87.27%  hackbench  [vdso]
 250        6.85%  hackbench  /lib/i686/cmov/libc-2.9.so
 251        2.62%  hackbench  /lib/ld-2.9.so
 252        1.52%       perf  [vdso]
 253        1.22%  hackbench  ./hackbench
 254        0.48%  hackbench  [kernel]
 255        0.02%       perf  /lib/i686/cmov/libc-2.9.so
 256        0.01%       perf  /usr/bin/perf
 257        0.01%       perf  /lib/ld-2.9.so
 258        0.00%  hackbench  /lib/i686/cmov/libpthread-2.9.so
 259   #
 260   # (For more details, try: perf report --sort comm,dso,symbol)
 261   #
 262
 263 According to this, the vast majority of events triggered on events
 264 within the VDSO. With simple binaries, this will often be the case so let's
 265 take a slightly different example. In the course of writing this, it was
 266 noticed that X was generating an insane amount of page allocations so let's look
 267 at it:
 268 ::
 269
 270   $ perf record -c 1 -f \
 271                 -e kmem:mm_page_alloc -e kmem:mm_page_free \
 272                 -e kmem:mm_page_free_batched \
 273                 -p `pidof X`
 274
 275 This was interrupted after a few seconds and
 276 ::
 277
 278   $ perf report
 279   # Samples: 27666
 280   #
 281   # Overhead  Command                            Shared Object
 282   # ........  .......  .......................................
 283   #
 284       51.95%     Xorg  [vdso]
 285       47.95%     Xorg  /opt/gfx-test/lib/libpixman-1.so.0.13.1
 286        0.09%     Xorg  /lib/i686/cmov/libc-2.9.so
 287        0.01%     Xorg  [kernel]
 288   #
 289   # (For more details, try: perf report --sort comm,dso,symbol)
 290   #
 291
 292 So, almost half of the events are occurring in a library. To get an idea which
 293 symbol:
 294 ::
 295
 296   $ perf report --sort comm,dso,symbol
 297   # Samples: 27666
 298   #
 299   # Overhead  Command                            Shared Object  Symbol
 300   # ........  .......  .......................................  ......
 301   #
 302       51.95%     Xorg  [vdso]                                   [.] 0x000000ffffe424
 303       47.93%     Xorg  /opt/gfx-test/lib/libpixman-1.so.0.13.1  [.] pixmanFillsse2
 304        0.09%     Xorg  /lib/i686/cmov/libc-2.9.so               [.] _int_malloc
 305        0.01%     Xorg  /opt/gfx-test/lib/libpixman-1.so.0.13.1  [.] pixman_region32_copy_f
 306        0.01%     Xorg  [kernel]                                 [k] read_hpet
 307        0.01%     Xorg  /opt/gfx-test/lib/libpixman-1.so.0.13.1  [.] get_fast_path
 308        0.00%     Xorg  [kernel]                                 [k] ftrace_trace_userstack
 309
 310 To see where within the function pixmanFillsse2 things are going wrong:
 311 ::
 312
 313   $ perf annotate pixmanFillsse2
 314   [ ... ]
 315     0.00 :         34eeb:       0f 18 08                prefetcht0 (%eax)
 316          :      }
 317          :
 318          :      extern __inline void __attribute__((__gnu_inline__, __always_inline__, _
 319          :      _mm_store_si128 (__m128i *__P, __m128i __B) :      {
 320          :        *__P = __B;
 321    12.40 :         34eee:       66 0f 7f 80 40 ff ff    movdqa %xmm0,-0xc0(%eax)
 322     0.00 :         34ef5:       ff
 323    12.40 :         34ef6:       66 0f 7f 80 50 ff ff    movdqa %xmm0,-0xb0(%eax)
 324     0.00 :         34efd:       ff
 325    12.39 :         34efe:       66 0f 7f 80 60 ff ff    movdqa %xmm0,-0xa0(%eax)
 326     0.00 :         34f05:       ff
 327    12.67 :         34f06:       66 0f 7f 80 70 ff ff    movdqa %xmm0,-0x90(%eax)
 328     0.00 :         34f0d:       ff
 329    12.58 :         34f0e:       66 0f 7f 40 80          movdqa %xmm0,-0x80(%eax)
 330    12.31 :         34f13:       66 0f 7f 40 90          movdqa %xmm0,-0x70(%eax)
 331    12.40 :         34f18:       66 0f 7f 40 a0          movdqa %xmm0,-0x60(%eax)
 332    12.31 :         34f1d:       66 0f 7f 40 b0          movdqa %xmm0,-0x50(%eax)
 333
 334 At a glance, it looks like the time is being spent copying pixmaps to
 335 the card.  Further investigation would be needed to determine why pixmaps
 336 are being copied around so much but a starting point would be to take an
 337 ancient build of libpixmap out of the library path where it was totally
 338 forgotten about from months ago!