Profiler C++

一个基于 eBPF、perf events 和 C++ 的简易 Linux 性能分析器。该工具可以捕获堆栈跟踪（内核态和用户态），并使用 blazesym 提供符号化支持。

特性

• 采样分析: 使用硬件或软件性能事件来采样堆栈跟踪。
• 基于 eBPF: 在内核中进行低开销的堆栈收集。
• 符号化: 使用 blazesym 将内存地址解析为函数名称。
• PID 过滤: 分析特定进程或整个系统。
• 输出格式: 支持标准可读输出和折叠格式（兼容 FlameGraph）。

前置条件

当前 Pixi 环境支持 Linux x86_64。请先准备以下宿主机依赖：

• 运行依赖：Linux Kernel 5.8+，已启用 BPF/BTF 支持。
• 构建依赖：
  • Pixi：管理 C++ 库、构建工具和任务。
  • GCC/G++ 15 或 16：支持 C++23，预设使用 /usr/bin/gcc 和 /usr/bin/g++。
  • Clang：需要包含 BPF 后端，用于编译 bpf/profiler.bpf.c。
  • libbpf、libelf、zlib 开发包和 bpftool：由系统包管理器提供，例如 Fedora 的 libbpf-devel、elfutils-libelf-devel、zlib-devel、bpftool。
  • Git、Rust 和 Cargo：用于获取 Corrosion 和构建 blazesym。

Pixi 安装 CMake（>= 3.28）、Ninja、CLI11、spdlog 及其传递依赖。pixi.lock 固定这些包的具体版本和构建；系统编译器、内核以及 Rust 工具链仍由宿主机提供。环境中的 C++ 运行库使用 GCC 16 系列，兼容上述系统编译器。

构建

1. 准备依赖

   cd profiler
   git submodule update --init --recursive
   pixi install --locked

2. 构建 Release 或 Debug

   # 默认使用 Release
   pixi run --locked build
   
   # 或者构建 Debug
   pixi run --locked build-debug

   两个任务都使用 Ninja 生成器，按顺序配置 CMake、构建 blazesym C API，再编译和链接 profiler，分别输出到 build/Release/ 和 build/Debug/。

   Debug 预设保留原有静态检查开关；系统安装了 clang-tidy 时，现有 -fix 配置可能修改源码，请注意检查工作区差异。

3. 单独配置和验证

   pixi run --locked configure
   pixi run --locked configure-debug
   
   # 构建 Release 并检查 --help，无需 root 权限
   pixi run --locked smoke

   CMake 预设通过 CONDA_PREFIX 查找 Pixi 环境中的库，因此配置和构建应在 pixi run 或 pixi shell 中执行。

   配置成功后，build/compile_commands.json 会自动链接到最近配置的构建目录，.clangd 无需调整。

切换已有构建目录

如果已有 Conan 构建目录，先移除仅由 Conan 自动生成的 CMakeUserPresets.json；若其中包含自己的配置，请保留自定义部分并移除 Conan 的 include。

预设统一使用 Ninja。从 Conan 或 Unix Makefiles 构建切换时，需要重新生成 CMake 缓存，避免沿用旧工具链、依赖路径或生成器。Corrosion 的 FetchContent 子构建有独立缓存，需要先一并切换：

# 仅重置已有子构建的配置，保留下载的 Corrosion 源码。
for mode in Release Debug; do
  subbuild="build/$mode/_deps/corrosion-subbuild"
  if [ -f "$subbuild/CMakeLists.txt" ]; then
    pixi run --locked cmake --fresh -S "$subbuild" -B "$subbuild" -G Ninja
  fi
done

pixi run --locked cmake --fresh --preset release
pixi run --locked cmake --fresh --preset debug

这只会重建对应目录的 CMake 配置，不需要删除整个 build/ 目录。运行 profiler 时仍需要保留 .pixi/ 环境，供动态链接器加载其中的 C++ 库。

使用方法

Profiler 需要 root 权限 (CAP_PERFMON / CAP_SYS_ADMIN) 来加载 BPF 程序。

sudo ./build/Release/profiler [OPTIONS]

选项

选项	描述	默认值
-f, --freq <N>	采样频率 (Hz)	10
-p, --pid <PID>	按进程 ID 过滤 (可选)	监控所有进程
--sw-event	使用软件事件 (cpu-clock) 代替硬件周期。在虚拟机中很有用。	硬件周期 (HW Cycles)
-E, --fold-extend	以适用于火焰图的扩展折叠格式输出	标准格式
-v, --verbose	增加日志详细程度	Warning

示例

1. 基本全系统分析 以 49 Hz 采样：

sudo ./build/Release/profiler -f 49

2. 分析特定进程 分析 PID 12345：

sudo ./build/Release/profiler -p 12345

3. 使用软件事件 (例如在虚拟机中) 如果硬件计数器不可用：

sudo ./build/Release/profiler --sw-event

4. 生成火焰图 (FlameGraph)

你可以将输出直接通过管道传输给 flamegraph.pl (来自 Brendan Gregg 的工具集)：

# 生成数据
sudo ./build/Release/profiler -f 99 -E > out.folded
# (按 Ctrl+C 停止)

# 生成 SVG
./FlameGraph/flamegraph.pl out.folded > profile.svg

项目结构

• src/: 用户态代理的 C++ 源代码。
• bpf/: eBPF C 代码 (内核侧)。
• cmake/: CMake 辅助模块。
• third_party/: 外部依赖 (blazesym)。

与 perf 对比采样开销

仓库内提供了脚本：scripts/benchmark.sh，用于在同一份负载上对比 profiler 和 perf 的采样器开销。

核心对比指标：

• user_sec + sys_sec: 采样器自身 CPU 开销（越低越好）
• samples: 采样输出条数（近似采样量）

支持多轮统计（--runs N），会额外输出：

• mean: 平均值
• std: 标准差
• p95: 95 分位

脚本会自动给出两组比较结果：

• collect-only: profiler 对比 perf record（采集阶段）
• end-to-end: profiler 对比 perf record + perf script/report（端到端）

默认情况下，脚本会让 profiler 使用 --no-symbolize（仅采集计数，不做逐样本符号化/输出），用于更公平地比较采集路径开销。 如需恢复符号化输出，可在脚本中添加 --profiler-symbolize。

sudo ./scripts/benchmark.sh \
   --freq 199 \
   --duration 20 \
   --runs 5 \
   --workload "yes > /dev/null" \
   --outdir ./benchmark_out/repeat \
   --profiler-symbolize

更多参数可查看：

./scripts/benchmark.sh --help

参考

1. eBPF Tutorial by Example 12 - 使用 eBPF 程序 profile 进行性能分析
2. blazesym - 用于符号化的 Rust 库和 C API。
3. libbpf-bootstrap/profile.c - libbpf-bootstrap 中的性能分析示例。
4. libbpf-bootstrap/tols/cmake - libbpf-bootstrap 的 CMake 构建工具。