Flame Graphs

Flame Graph是一个可视化的性能分析软件，可以快速准确地识别最频繁调用的代码，最终生成交互式的SVG图片，作者是Brendan Gregg，博客链接，名字叫做“火焰图”是因为它最初的功能是用于显示CPU上的热点（正在运行的代码），看起来像火焰

这里主要讲述Java语言中通过火焰图分析CPU耗时

火焰图的外观

火焰图中X轴是所有的采样点的集合，Y轴表示栈的深度stack depth，每个方框代表一个栈帧stack frame或者说是一个函数，方框的宽带代表其在CPU上的时间比例（基于采样），越宽表示其运行的时间更长，或者说是调用的次数更多。从底层最宽的帧往上读，代表着函数的调用关系，不同的分叉代表不同的代码调用路径。颜色没有实际意义，只是随机选取用于栈帧之间相互区分，左右顺序也没有什么含义

通过火焰图可以快速识别和量化的CPU使用情况，也可以收集不同时间或者不同版本的火焰图，通过比较快速量化性能的变化

分析器的选择

为了生成火焰图，需要一个可以对函数栈轨迹进行采样的分析器，对于Java，可以使用两种类型的分析器：

系统分析器System profilers：例如Linux perf_events，它可以分析系统代码路径，例如libjvm，GC和内核，但不能分析Java方法
JVM分析器JVM profilers：例如hprof，Lightweight Java Profiler (LJP)，可以显示Java方法，但不显示系统代码路径

使用系统分析器时java栈信息缺失

perf，也叫作Performance Counters for Linux (PCL)，perf_events或perf tools，是一个Linux性能分析工具，是Linux 内核的一部分，面向事件通过采样进行性能分析，有两种采样方法：硬件，主要利用CPU的PMU(Performance Monitoring Unit)计数器统计事件次数，比如L1 Cache失效的次数，分支预测失败的次数；软件，例如利用tracepoint作为探测点进行采样

缺失Java函数信息的原因：

JVM内部即时编译器JIT，不会公开传统的符号表供系统分析器读取
JVM默认使用帧指针寄存器（x86-64上的RBP）作为通用寄存器，与传统的栈不同

解决：

使用开源JVMTI代理perf-map-agent，创建/tmp/perf-<pid>.map文件，内部列出符号地址（十六进制），大小和符号名称。perf_events默认查找此文件，如果找到，则将其用于符号转换
使用-XX:+PreserveFramePointer，以便perf可以精准的获取栈结构，会导致一定的性能损耗

使用

安装perf
查看系统上是否有perf，如果没有就按照提示安装

sudo apt install linux-tools-common
sudo apt install linux-tools-4.15.0-46-generic

确保JDK版本Java 8 update 60 build 19及以上，该版本添加了-XX:+PreserveFramePointer选项的支持
安装perf-map-agent

sudo bash
apt-get install cmake
export JAVA_HOME=/path-to-your-new-jdk8
cd /destination-for-perf-map-agent  # I use /usr/lib/jvm
git clone --depth=1 https://github.com/jvm-profiling-tools/perf-map-agent
cd perf-map-agent
cmake .
make

会产生一个out目录，内部包含attach-main.jar

安装FlameGraph，包含perl脚本，可以对捕获的采样数据进行处理，生成火焰图

git clone --depth=1 https://github.com/brendangregg/FlameGraph

具体使用

首先是启动目标Java程序
然后进行CPU采样30秒

sudo perf record -F 99 -a -g -- sleep 30

参数的含义，具体可以查看sudo perf record -h
-F指定频率即每秒采样数，这里以99赫兹的频率
-a对所有进程进行采样，可以使用-p指定进程

指定Java目标进程的PID，缓存符号表，其中attach-main.jar文件来自perf-map-agent

java -cp attach-main.jar:$JAVA_HOME/lib/tools.jar net.virtualvoid.perf.AttachOnce PID    
sudo chown root /tmp/perf-*.map

对采样数据进行处理，生成SVG类型的火焰图，其中的stackcollapse-perf.pl和flamegraph.pl来自FlameGraph

sudo perf script | stackcollapse-perf.pl | \
    flamegraph.pl --color=java --hash > flamegraph.svg

或者使用jmaps脚本，自动的为所有Java进程创建符号文件

sudo perf record -F 99 -a -g -- sleep 30; sudo jmaps
sudo perf script | stackcollapse-perf.pl | \
    flamegraph.pl --color=java --hash > flamegraph.svg

CPU Profiler

比上一个方式简单，IntelliJ IDEA 2018.3版本引用该功能，类似于火焰图，目前还是测试版本，只支持Linux和Mac

Ctrl+Shift+A打开Find Action对话框，输入Experimental features，勾选idea.profiler.enabled，启用该功能

安装perf，并进行配置

//直接配置
sudo sh -c 'echo 1 >/proc/sys/kernel/perf_event_paranoid'
sudo sh -c 'echo 0 >/proc/sys/kernel/kptr_restrict'
//永久配置
sudo sh -c 'echo kernel.perf_event_paranoid=1 >> /etc/sysctl.d/99-perf.conf'
sudo sh -c 'echo kernel.kptr_restrict=0 >> /etc/sysctl.d/99-perf.conf'
sudo sh -c 'sysctl --system'

启动执行，点击菜单栏Run | Run 'xxxxx' with Async Profiler，执行完成后可以查看CPU Profiler选项卡

在CPU Profiler工具窗口中，收集的数据显示在三个选项卡上 - 火焰图，调用树和方法列表。火焰图左侧列出了应用程序相关的线程，可以查看每个线程单独的火焰图信息

其他工具

VTune：Intel自家的性能分析工具，可以分析CPU热点代码，内存，IO，GPU等等，支持多种语言，可以获取到Java程序函数的调用所占时间的信息，不过正版是需要付费的
jvisualvm：JDK自带的分析工具，可以在Sampler界面进行CPU或Memory采样，获取函数的运行时间，或者不同数据类型的对象在内存中的占比

他们能够统计函数耗时，但是没有火焰图直观

参考文献：
Java in Flames
CPU Profiler