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androidTools

@think3r 2022-09-23 10:46:04

  1. 另一个Android性能剖析工具——simpleperf
  2. 西瓜视频稳定性治理体系建设二：Raphael 原理及实践
  3. Android Native Hook技术路线概述
  4. 调试本地内存使用
  5. Malloc Debug

0x00 简介

本文章来进行一些 Android 工具的使用研究, 包含

  1. perf 性能探测工具
  2. 内存泄漏工具

0x01 mallocDebug 

adb shell stop
adb shell setprop libc.debug.malloc.program com.think3rTest.phone
adb shell setprop libc.debug.malloc.options backtrace
adb shell start

# 国内的 Android 手机不能用(小米需 root)
adb shell setprop wrap.com.think3rTest.phone '"LIBC_DEBUG_MALLOC_OPTIONS=backtrace logwrapper"'

0x02 perf

  1. https://android.googlesource.com/platform/prebuilts/simpleperf
  2. 安卓性能分析工具Simpleperf详解与应用
  3. perf Examples
  4. linux性能分析工具perf：十八般武器之cache
  5. CPU最高性能预估之“理论最大IPC”
  6. 计算机组成原理：超标量，让CPU的吞吐率超过1
  7. Linux内核性能剖析的方法学和主要工具

CPU 基础知识

  1. 流水线 : 是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理的技术。
    1. 程序中的指令仍是一条条顺序执行，但可以预先取若干条指令，并在当前指令尚未执行完时，提前启动后续指令的另一些操作步骤。这样显然可加速一段程序的运行过程。
  2. 超级流水线 : 以增加流水线级数的方法来缩短机器周期，相同的时间内超级流水线执行了更多的机器指令。
    1. 采用简单指令以加快执行速度是所有流水线的共同特点，但超级流水线配置了多个功能部件和指令译码电路，采用多条流水线并行处理，还有多个寄存器端口和总线，可以同时执行多个操作，因此比普通流水线执行的更快，在一个机器周期内可以流出多条指令。
  3. 超标量（superscalar）: 是指在 CPU 中有一条以上的流水线，并且每时钟周期内可以完成一条以上的指令，这种设计就叫超标量技术。
    1. 其实质是以空间换取时间。
    2. 而超流水线是通过细化流水、提高主频，使得在一个机器周期内完成一个甚至多个操作，其实质是以时间换取空间。
  4. IPS: 每秒钟所能执行的指令条数，对于微型计算机可用 CPU 的主频和每条指令的执行所需的时钟周期来衡量
  5. MIPS: 衡量 ARM 及其他的 cpu 的性能，表示每秒能运行多少个百万指令，MIPS 越高，性能越高
  6. 频率: 表示一秒振荡多少个周期 (MHz 时钟速度)
  7. 时钟频率又称主频 f，它是指 CPU 内部晶振的频率，常用单位为 MHz，它反映了 CPU 的基本工作节拍
  8. 时钟周期 t : t =1/f, 主频的倒数
  9. 机器周期 : m*t, 一个机器周期包含若干个（m 个）时钟周期
  10. 指令周期：mtn 执行一条指令所需要的时间，一般包含若干个（n 个）机器周期
  11. IPC（instruction per clock) : 表示每（时钟）周期运行多少个指令
  12. CPI（clock per instruction）: 平均每条指令的平均时钟周期个数
  13. 准确的 CPU 性能判断标准应该是： MIPS = 频率 x IPC
  14. Ahmand Yasin 在它的 IEEE 论文《A top-down method for performance analysis and counter architercture》中，革命性地给出了一个从 CPU 指令执行的顺畅程度来评估和发现瓶颈的方法，允许我们从黑盒的角度以诸葛孔明“隆中对”式的格局来看问题。现在处理器，一般在 4 个方面占用流水线的时间，而 top-down 方法，可以黑盒地呈现软件在 CPU 上面运转的时候，CPU 的流水线究竟在干什么。
    1. Front End Bound（前端依赖）: 处理器的前端主要完成指令的译码，把获取的指令翻译为一系列的micro-ops（μops）。当 CPU stalled 在 Front End，通常意味着 CPU 在取指慢（比如 icache miss、解释执行等）,或者复杂指令的翻译过程由于 μops cache 不命中等原因而变地漫长。Front End stalled 多，意味着前端无法及时给后端“喂饱” μops。目前主流的 x86 处理器，每个 cycle 可以给 Back End 喂 4 个指令，如果 Back End 也及时执行的话，IPC 最高可达 4.0。
    2. Back End Bound（后端依赖）：处理器的后端主要完成前端“喂”过来的 μops 的执行，执行的过程可能涉及读写操作数（load/store）、对操作数进行加减乘除各种运算之类。Back End Bound又可再细分为 2 类，core bound 意味着软件更多依赖于微指令的处理能力；memory bound 意味着软件更加依赖 CPU L1～L3 缓存和 DRAM 内存性能。当 CPU stalled 在 Back End，通常意味着复杂运算指令延迟大，或操作数从 memory（包括 cache 和 DDR）获取的延迟大，导致部分 pipeline slots 为空（stall）。
    3. Retiring：μops 被执行完成，最终的 retire 动作，提交结果到寄存器或者内存。
    4. Bad Speculation：处理器虽然在干活，但是投机执行的指令可能没有用。比如分支本身应该进 else 的，预测的结果却进了 if 执行错误的分支，虽然没有 stall，但是这些错误分支里面的指令实际白白执行了不会 retire，所以也浪费了 pineline 的时间。
      • 这里有一个基本常识，比如 if(a) do x; else do y; ，处理器并不是等待 a 的判决结果后，再去做 x 或者 y，而是先根据历史情况投机执行 x 或者 y，当然这个投机有可能出错。
  15. wall-time 字面意思是挂钟时间，实际上就是指的是现实的时间.
    • perf provide two time based profilers cpu-clock and task-clock;
    • cpu-clock is wall-clock based and samples are taken at regular intervals relative to walltime;
    • task-clock is to sample the specific task run time

名词解释

  • perf stat 用于运行指令，并分析其统计结果。
  • cpu-clock : 任务真正占用的处理器时间，单位为 ms
    • CPUs utilized CPU的占用率 = task-clock 任务真正的处理时间 / time elapsed 消耗的时间
    • CPU 利用率，该值高，说明程序的多数时间花费在 CPU 计算上而非 IO
  • cpu-cycles : 消耗的处理器周期数
    • 如果把被 ls 使用的 cpu-cycles 看成是一个处理器的，那么它的主频为 2.486GHz。可以用 cycles / task-clock 算出。
  • Cycles ：处理器时钟，一条机器指令可能需要多个 cycles
  • instructions : 执行了多少条指令
  • IPC (Instructions Per Clock/Cycle) ：是 Instructions/Cycles 的比值，该值越大越好，说明程序充分利用了处理器的特性
    • IPC 为平均每个 cpu-cycle 执行了多少条指令
    • 在频率一样情况下，越大表示处理能力越强，指令吞吐量就越大。
    • 例如通过多发射和多 fu 并行，可以让现代高性能 CPU 的 IPC 超过 1
  • context-switches : 程序在运行过程中上下文的切换次数
  • CPU-migrations : 程序在运行过程中发生的处理器迁移次数。
    • Linux 为了维持多个处理器的负载均衡，在特定条件下会将某个任务从一个 CPU 迁移到另一个 CPU
    • CPU 迁移和上下文切换：发生上下文切换不一定会发生 CPU 迁移，而发生 CPU 迁移时肯定会发生上下文切换。发生上下文切换有可能只是把上下文从当前 CPU 中换出，下一次调度器还是将进程安排在这个 CPU 上执行。
  • page-faults : 缺页异常的次数
    • 当应用程序请求的页面尚未建立、请求的页面不在内存中，或者请求的页面虽然在内存中，但物理地址和虚拟地址的映射关系尚未建立时，都会触发一次缺页异常
    • 另外 TLB 不命中，页面访问权限不匹配等情况也会触发缺页异常
  • stalled-cycles-frontend : 指令读取或解码的质量步骤，未能按理想状态发挥并行左右，发生停滞的时钟周期
  • stalled-cycles-backend : 指令执行步骤，发生停滞的时钟周期
  • branches : 遇到的分支指令数
    • branch-misses : 是预测错误的分支指令数
  • Cache-references : cache 命中的次数
  • Cache-misses: cache 失效的次数

使用

  1. 程序安装 :
    1. adb push ./simpleperf /data/local/tmp
    2. adb shell chmod 777 /data/local/tmp/simpleperf
  2. 统计计算量 :
    1. ./simpleperf stat -h
    2. ./simpleperf stat ./neonOsdDemo
    3. ./simpleperf stat --app com.think3rTest.phone --duration 10
  3. 统计热点函数 :
    1. ./simpleperf record ./neonOsdDemo -o ./pref.data
    2. ./simpleperf record ./neonOsdDemo -o ./pref.data
    3. ./simpleperf report -i ./pref.data
# 直接用 adb shell 统计某个 app 的计算量
adb shell "cd /data/local/tmp/install/ && ./simpleperf stat --app com.think3rTest.phone  --duration 10"

# 统计 neonOsdDemo 的热点函数
adb shell "cd /data/local/tmp/install/ && ./simpleperf record ./neonOsdDemo -o perf.data && ./simpleperf report -i ./perf.data" | less
  • TODO : android-ndk-profiler 的使用?