Soporte de Python para el perfilador "perf" de Linux
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autor:
   Pablo Galindo

El perfilador perf de Linux es una herramienta muy poderosa que le
permite crear perfiles y obtener información sobre el rendimiento de
su aplicación. "perf" también tiene un ecosistema muy vibrante de
herramientas que ayudan con el análisis de los datos que produce.

El principal problema con el uso del perfilador "perf" con
aplicaciones Python es que "perf" sólo obtiene información sobre
símbolos nativos, es decir, los nombres de funciones y procedimientos
escritos en C. Esto significa que los nombres y nombres de archivos de
las funciones de Python en su código no aparecerán en la salida de
"perf".

Desde Python 3.12, el intérprete puede ejecutarse en un modo especial
que permite que las funciones de Python aparezcan en la salida del
perfilador "perf". Cuando este modo está habilitado, el intérprete
interpondrá un pequeño fragmento de código compilado sobre la marcha
antes de la ejecución de cada función de Python y enseñará a "perf" la
relación entre este fragmento de código y la función de Python
asociada usando perf map files.

Nota:

  Actualmente, el soporte para el perfilador "perf" solo está
  disponible para Linux en arquitecturas seleccionadas. Verifique el
  resultado del paso de compilación "configure" o verifique el
  resultado de "python -m sysconfig | grep HAVE_PERF_TRAMPOLINE" para
  ver si su sistema es compatible.

Por ejemplo, considere el siguiente script:

   def foo(n):
       result = 0
       for _ in range(n):
           result += 1
       return result

   def bar(n):
       foo(n)

   def baz(n):
       bar(n)

   if __name__ == "__main__":
       baz(1000000)

Podemos ejecutar "perf" para obtener un registro de los seguimientos
de la pila de CPU a 9999 hercios:

   $ perf record -F 9999 -g -o perf.data python my_script.py

Luego podemos usar "perf report" para analizar los datos:

   $ perf report --stdio -n -g

   # Children      Self       Samples  Command     Shared Object       Symbol
   # ........  ........  ............  ..........  ..................  ..........................................
   #
       91.08%     0.00%             0  python.exe  python.exe          [.] _start
               |
               ---_start
               |
                   --90.71%--__libc_start_main
                           Py_BytesMain
                           |
                           |--56.88%--pymain_run_python.constprop.0
                           |          |
                           |          |--56.13%--_PyRun_AnyFileObject
                           |          |          _PyRun_SimpleFileObject
                           |          |          |
                           |          |          |--55.02%--run_mod
                           |          |          |          |
                           |          |          |           --54.65%--PyEval_EvalCode
                           |          |          |                     _PyEval_EvalFrameDefault
                           |          |          |                     PyObject_Vectorcall
                           |          |          |                     _PyEval_Vector
                           |          |          |                     _PyEval_EvalFrameDefault
                           |          |          |                     PyObject_Vectorcall
                           |          |          |                     _PyEval_Vector
                           |          |          |                     _PyEval_EvalFrameDefault
                           |          |          |                     PyObject_Vectorcall
                           |          |          |                     _PyEval_Vector
                           |          |          |                     |
                           |          |          |                     |--51.67%--_PyEval_EvalFrameDefault
                           |          |          |                     |          |
                           |          |          |                     |          |--11.52%--_PyLong_Add
                           |          |          |                     |          |          |
                           |          |          |                     |          |          |--2.97%--_PyObject_Malloc
   ...

As you can see, the Python functions are not shown in the output, only
"_PyEval_EvalFrameDefault" (the function that evaluates the Python
bytecode) shows up. Unfortunately that's not very useful because all
Python functions use the same C function to evaluate bytecode so we
cannot know which Python function corresponds to which bytecode-
evaluating function.

En cambio, si ejecutamos el mismo experimento con el soporte "perf"
habilitado obtenemos:

   $ perf report --stdio -n -g

   # Children      Self       Samples  Command     Shared Object       Symbol
   # ........  ........  ............  ..........  ..................  .....................................................................
   #
       90.58%     0.36%             1  python.exe  python.exe          [.] _start
               |
               ---_start
               |
                   --89.86%--__libc_start_main
                           Py_BytesMain
                           |
                           |--55.43%--pymain_run_python.constprop.0
                           |          |
                           |          |--54.71%--_PyRun_AnyFileObject
                           |          |          _PyRun_SimpleFileObject
                           |          |          |
                           |          |          |--53.62%--run_mod
                           |          |          |          |
                           |          |          |           --53.26%--PyEval_EvalCode
                           |          |          |                     py::<module>:/src/script.py
                           |          |          |                     _PyEval_EvalFrameDefault
                           |          |          |                     PyObject_Vectorcall
                           |          |          |                     _PyEval_Vector
                           |          |          |                     py::baz:/src/script.py
                           |          |          |                     _PyEval_EvalFrameDefault
                           |          |          |                     PyObject_Vectorcall
                           |          |          |                     _PyEval_Vector
                           |          |          |                     py::bar:/src/script.py
                           |          |          |                     _PyEval_EvalFrameDefault
                           |          |          |                     PyObject_Vectorcall
                           |          |          |                     _PyEval_Vector
                           |          |          |                     py::foo:/src/script.py
                           |          |          |                     |
                           |          |          |                     |--51.81%--_PyEval_EvalFrameDefault
                           |          |          |                     |          |
                           |          |          |                     |          |--13.77%--_PyLong_Add
                           |          |          |                     |          |          |
                           |          |          |                     |          |          |--3.26%--_PyObject_Malloc


Cómo habilitar el soporte de creación de perfiles "perf"
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El soporte de creación de perfiles "perf" se puede habilitar desde el
principio usando la variable de entorno "PYTHONPERFSUPPORT" o la
opción "-X perf", o dinámicamente usando
"sys.activate_stack_trampoline()" y
"sys.deactivate_stack_trampoline()".

Las funciones "sys" tienen prioridad sobre la opción "-X", la opción
"-X" tiene prioridad sobre la variable de entorno.

Ejemplo, usando la variable de entorno:

   $ PYTHONPERFSUPPORT=1 python script.py
   $ perf report -g -i perf.data

Ejemplo, usando la opción "-X":

   $ python -X perf script.py
   $ perf report -g -i perf.data

Ejemplo, usando las API "sys" en el archivo "example.py":

   import sys

   sys.activate_stack_trampoline("perf")
   do_profiled_stuff()
   sys.deactivate_stack_trampoline()

   non_profiled_stuff()

...entonces:

   $ python ./example.py
   $ perf report -g -i perf.data


Cómo obtener los mejores resultados
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Para obtener mejores resultados, Python debe compilarse con "CFLAGS
="-fno-omit-frame-pointer -mno-omit-leaf-frame-pointer"" ya que esto
permite a los perfiladores desenrollarse usando solo el puntero del
marco y no en la información de depuración de DWARF. Esto se debe a
que como el código que se interpone para permitir el soporte "perf" se
genera dinámicamente, no tiene ninguna información de depuración DWARF
disponible.

Puede verificar si su sistema ha sido compilado con este indicador
ejecutando:

   $ python -m sysconfig | grep 'no-omit-frame-pointer'

Si no ve ningún resultado, significa que su intérprete no ha sido
compilado con punteros de marco y, por lo tanto, es posible que no
pueda mostrar funciones de Python en el resultado de "perf".
