程序员如何读懂火焰图

1、 白话火焰图

让我们回想一下我们一般是如何调试程序的，通常是在没有数据的情况下依靠主观臆断来瞎蒙，而不是考虑问题到底是什么引起的！毫无疑问，调优程序性能问题的时候，同样需要对症下药。好消息是 Linux 内核调优大师发明了火焰图，可以一针见血的指出程序的性能瓶颈，可以快速、准确地识别出最频繁的代码路径，但是很少人在使用火焰图。常见的火焰图类型有 On-CPU，Off-CPU，还有 Memory，Hot/Cold，Differential 等等。
关于火焰图整个图形看起来就像一团跳动的火焰，这也正是其名字的由来。燃烧在火苗尖部的就是 CPU 正在执行的操作，不过需要说明的是颜色是随机的，本身并没有特殊的含义，纵向表示调用栈的深度，横向表示采样的次数。因为调用栈在横向会按照字母排序，并且同样的调用栈会做合并，所以一个格子的宽度越大越说明其可能是瓶颈。综上所述，主要就是看那些比较宽大的火苗，特别留意那些类似平顶山的火苗。

2、火焰图的含义

以下是基于 perf （perf是一款Linux性能分析工具） 结果产生的 SVG 图片，用来展示 CPU 的调用栈。

火焰图的地址： https://queue.acm.org/downloads/2016/Gregg4.svg
y 轴表示调用栈，每一层都是一个函数。调用栈越深，火焰就越高，顶部就是正在执行的函数，下方都是它的父函数。
x 轴表示抽样数，如果一个函数在 x 轴占据的宽度越宽，就表示它被抽到的次数多，即执行的时间长。注意，x 轴不代表时间，而是所有的调用栈合并后，按字母顺序排列的。
火焰图就是看顶层的哪个函数占据的宽度最大。只要有"平顶山"，就表示该函数可能存在性能问题。
颜色没有特殊含义，因为火焰图表示的是 CPU 的繁忙程度，所以一般选择暖色调。
火焰图是 SVG 图片，可以与用户互动,火焰的每一层都会标注函数名，鼠标悬浮时会显示完整的函数名、抽样抽中的次数、占据总抽样次数的百分比
在某一层点击，火焰图会水平放大，该层会占据所有宽度，显示详细信息。

3、 生成火焰图

要生成火焰图，必须要有一个顺手的 Tracer 工具，如果操作系统是 Linux 的话，那么选择通常是 perf，systemtap 中的一种。其中 perf 相对更常用而 systemtap 相对更强大，不过缺点是你需要先学会它本身的编程语言，如果你和我一样觉得麻烦，那么我强烈推荐你使用春哥的 nginx-systemtap-toolkit，乍一看名字你可能会误以为这个工具包是 nginx 专用的，实际上这里面很多工具适用于任何 C/CPP 语言编写的程序
sample-bt：用来生成 On-CPU 火焰图的采样数据 实例：http://openresty.org/download/user-flamegraph.svg
sample-bt-off-cpu：用来生成 Off-CPU 火焰图的采样数据 实例：http://agentzh.org/misc/flamegraph/off-cpu-lua-resty-mysql.svg
那么什么时候使用 On-CPU 火焰图？什么时候使用 Off-CPU 火焰图呢？取决于当前的瓶颈到底是什么，如果是 CPU 则使用 On-CPU 火焰图，如果是 IO 或锁 则使用 Off-CPU 火焰图。如果无法确定，那么可以通过压测工具来确认：通过压测工具看看能否让 CPU 使用率趋于饱和，如果能那么使用 On-CPU 火焰图，如果不管怎么压，CPU 使用率始终上不来，那么多半说明程序被 IO 或锁卡住了，此时适合使用 Off-CPU 火焰图。如果还是确认不了，那么不妨 On-CPU 火焰图和 Off-CPU 火焰图都搞搞，正常情况下它们的差异会比较大，如果两张火焰图长得差不多，那么通常认为 CPU 被其它进程抢占了，在采样数据的时候，最好通过压测工具对程序持续施压，以便采集到足够的样本。

• 例子1
  通过 Off-CPU 火焰图可以发现有一个使用互斥锁的 HTTP Cache 检查代码让绝大部分的 Off-CPU 时间都花在了等待进程锁上
  https://blog.huoding.com/upload/off-cpu-flame-graph-nginx-cache-1.svg
• 例子2
  在移除了那个引发互斥锁瓶颈的历史代码之后，从图上我们可以清楚地看到 open() 系统调用是下一个最明显的性能瓶颈
  https://blog.huoding.com/upload/off-cpu-flame-graph-nginx-cache-2.svg
• 例子3
  启用 nginx 的 open_file_cache 指令可以对打开的文件句柄进行缓存，从而节约昂贵的 open() 系统调用。但是缓存容量并不是越大越好，比如当达到 20000 个元素的容量时，共享内存的锁就成了瓶颈
  https://blog.huoding.com/upload/off-cpu-flame-graph-nginx-cache-3.svg

实际使用火焰图的时候，因为 perf / systemtap 本身对系统性能影响较小，所以我们可以在线上随时采样数据来分析性能，我们甚至可以写一个脚本，自动化定期绘制系统运行状况的火焰图，如此一来，即便发生性能故障时我们没有第一时间在现场，也可以随时根据火焰图历史快照来确诊问题的根源。

4、Perf 命令

Perf 命令(performance的简写)是 Linux 系统原生提供的性能分析工具，返回 CPU 正在执行的函数名以及调用栈(stack)。
通常，它的执行频率是 99Hz（每秒99次），如果99次都返回同一个函数名，那就说明 CPU 这一秒钟都在执行同一个函数，可能存在性能问题。

5、Java 性能分析工具 async-profiler

最后

以上就是清爽荷花为你收集整理的程序员如何读懂火焰图的全部内容，希望文章能够帮你解决程序员如何读懂火焰图所遇到的程序开发问题。

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