为什么调度算法是 Linux 性能监控的基石

众所周知，现代 Intel 处理器上的每个逻辑核心配备了三个固定功能计数器和四个通用计数器，用于硬件性能监控。为了有效地测量所有目标事件，为每个事件分配一个计数器至关重要。然而，当可用计数器不足时，调度算法就发挥了至关重要的作用，因为它决定了在任何给定时间测量哪些事件。

Linux 内核提供了 perf_event_open() 系统调用和 perf_event_attr 结构体，用于控制事件调度。perf_event_attr 的一个重要字段是 sample_period，它指定在内核将事件值复制到用户空间之前，计数器达到该值后触发的采样率。

调度算法基于事件的优先级为每个事件分配计数器。优先级可以通过 perf_event_attr 中的 weight 字段指定，该字段表示该事件相对于其他事件的相对重要性。对于关键事件，较高的权重会确保分配计数器进行测量。

算法还会考虑事件的稀有性。对于很少发生的事件，它会分配较少的采样率，以节省宝贵的计数器资源。另一方面，对于频繁发生的事件，它会分配较高的采样率，以确保捕获足够的样本进行分析。

为了深入了解调度算法，让我们考虑一个实际示例。假设我们希望测量 CPU 周期 (cpu-cycles) 事件和分支预测未命中 (branch-misses) 事件。如果 CPU 周期事件比分支预测未命中事件更频繁，调度算法可能会为 CPU 周期事件分配较低的 sample_period，以节省计数器。

以下代码示例演示了如何使用 perf_event_open() 和 perf_event_attr() 测量 CPU 周期和分支预测未命中事件：

#include <stdio.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <linux/perf_event.h>

int main() {
  struct perf_event_attr attr;
  int fd_cpu_cycles, fd_branch_misses;

  // CPU 周期事件
  attr.type = PERF_TYPE_HARDWARE;
  attr.config = PERF_COUNT_HW_CPU_CYCLES;
  attr.sample_period = 1000000;
  attr.sample_type = PERF_SAMPLE_IP;
  fd_cpu_cycles = syscall(SYS_perf_event_open, &attr, -1, -1, -1, 0);

  // 分支预测未命中事件
  attr.config = PERF_COUNT_HW_BRANCH_MISSES;
  attr.sample_period = 10000;
  fd_branch_misses = syscall(SYS_perf_event_open, &attr, -1, -1, -1, 0);

  // 测量事件
  // ...

  // 关闭文件符
  close(fd_cpu_cycles);
  close(fd_branch_misses);

  return 0;
}

通过调整 sample_period 值，我们可以控制分配给每个事件的计数器资源。了解调度算法并有效使用 perf_event_open() 和 perf_event_attr()，对于深入了解 Linux 性能并优化系统至关重要。