# Python support for the `perf map` compatible profilers

作者:

  Pablo Galindo

The Linux perf profiler and samply are powerful tools that allow you to profile and obtain information about the performance of your application. Both tools have vibrant ecosystems that aid with the analysis of the data they produce.

The main problem with using these profilers with Python applications is that they only get information about native symbols, that is, the names of functions and procedures written in C. This means that the names and file names of Python functions in your code will not appear in the profiler output.

Since Python 3.12, the interpreter can run in a special mode that allows Python functions to appear in the output of compatible profilers. When this mode is enabled, the interpreter will interpose a small piece of code compiled on the fly before the execution of every Python function and it will teach the profiler the relationship between this piece of code and the associated Python function using perf map files.

备注

Support for profiling is available on Linux and macOS on select architectures. Perf is available on Linux, while samply can be used on both Linux and macOS. samply support on macOS is available starting from Python 3.15. Check the output of the `configure` build step or check the output of `python -m sysconfig | grep HAVE_PERF_TRAMPOLINE` to see if your system is supported.

例如，考虑以下脚本:

    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)

我们可以运行 `perf` 以 9999 赫兹的频率来对 CPU 栈追踪信息进行采样:

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

然后我们可以使用 `perf report` 来分析数据:

    $ 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%--_PyCompactLong_Add
                            |          |          |                     |          |          |
                            |          |          |                     |          |          |--2.97%--_PyObject_Malloc
    ...

如你所见，Python 函数不会显示在输出中，只有 `_PyEval_EvalFrameDefault` (评估 Python 字节码的函数) 会显示出来。 不幸的是那没有什么用处因为所有 Python 函数都使用相同的 C 函数来评估字节码所以我们无法知道哪个 Python 函数与哪个字节码评估函数相对应。

相反，如果我们在启用 `perf` 支持的情况下运行相同的实验代码我们将获得:

    $ 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%--_PyCompactLong_Add
                            |          |          |                     |          |          |
                            |          |          |                     |          |          |--3.26%--_PyObject_Malloc

## Using the samply profiler

samply is a modern profiler that can be used as an alternative to perf. It uses the same perf map files that Python generates, making it compatible with Python's profiling support. samply is particularly useful on macOS where perf is not available.

To use samply with Python, first install it following the instructions at https://github.com/mstange/samply, then run:

    $ samply record PYTHONPERFSUPPORT=1 python my_script.py

This will open a web interface where you can analyze the profiling data interactively. The advantage of samply is that it provides a modern web-based interface for analyzing profiling data and works on both Linux and macOS.

On macOS, samply support requires Python 3.15 or later. Also on macOS, samply can't profile signed Python executables due to restrictions by macOS. You can profile with Python binaries that you've compiled yourself, or which are unsigned or locally-signed (such as anything installed by Homebrew). In order to attach to running processes on macOS, run `samply setup` once (and every time samply is updated) to self-sign the samply binary.

## 如何启用 `perf` 性能分析支持

要启动 `perf` 性能分析支持可以通过使用环境变量 `PYTHONPERFSUPPORT` 或 `-X perf` 选项，或者动态地使用 `sys.activate_stack_trampoline()` 和 `sys.deactivate_stack_trampoline()` 来运行。

`sys` 函数的优先级高于 `-X` 选项，`-X` 选项的优先级高于环境变量。

示例，使用环境变量:

    $ PYTHONPERFSUPPORT=1 perf record -F 9999 -g -o perf.data python my_script.py
    $ perf report -g -i perf.data

示例，使用 `-X` 选项:

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

示例，在文件 `example.py` 中使用 `sys` API:

    import sys

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

    non_profiled_stuff()

...然后:

    $ perf record -F 9999 -g -o perf.data python ./example.py
    $ perf report -g -i perf.data

## 如何获取最佳结果

要获取最佳结果，Python 应当使用 `CFLAGS="-fno-omit-frame-pointer -mno-omit-leaf-frame-pointer"` 来编译因为这将允许性能分析器仅使用帧指针而不是基于 DWARF 调试信息进行展开。 这是因为被插入以允许 `perf` 支持的代码是动态生成的所以它没有任何 DWARF 调试信息可用。

你可以通过运行以下代码来检查你的系统是否为附带此旗标来编译的:

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

如果你没有看到任何输出则意味着你的解释器没有附带帧指针来编译因而它将无法在 `perf` 的输出中显示 Python 函数。

## 如何在不带帧指针的情况下使用

如果你使用在不带帧指针的情况下编译的 Python 解释器，你仍然可以使用 `perf` 性能分析器，但会有较高的资源开销因为 Python 需要为每个 Python 函数即时生成回撤信息。 此外，`perf` 将花费更多时间来处理数据因为它需要使用 DWARF 调试信息来回撤栈而这是一个缓慢的过程。

要启用此模式，你可以使用环境变量 `PYTHON_PERF_JIT_SUPPORT` 或 `-X perf_jit` 选项，它将为 `perf` 性能分析器启用 JIT 模式。

备注

由于 `perf` 工具的一个程序错误，只有 `perf` 版本号高于 v6.8 才能使用 JIT 模式。 修复也向下移植到了此工具的 v6.7.2 版。

请注意在检测 `perf` 工具的版本时（这可通过运行 `perf version` 来完成）你必须将某些发行版添加包括了 `-` 字符的自定义版本号纳入考虑。 这意味着 `perf 6.7-3` 不一定等于 `perf 6.7.3`。

当使用 perf JIT 模式时，在你运行 `perf report` 之前你还需要一个额外的步骤。 你需要调用 `perf inject` 命令来将 JIT 信息注入 `perf.data` 文件。:

    $ perf record -F 9999 -g -k 1 --call-graph dwarf -o perf.data python -Xperf_jit my_script.py
    $ perf inject -i perf.data --jit --output perf.jit.data
    $ perf report -g -i perf.jit.data

或者使用环境变量:

    $ PYTHON_PERF_JIT_SUPPORT=1 perf record -F 9999 -g --call-graph dwarf -o perf.data python my_script.py
    $ perf inject -i perf.data --jit --output perf.jit.data
    $ perf report -g -i perf.jit.data

`perf inject --jit` 命令将读取 `perf.data`，自动获取 Python 创建的 perf 转储文件（在 `/tmp/perf-$PID.dump` 中），然后创建将所有 JIT 信息合并到一起的 `perf.jit.data` 文件。 它还会在当前目录下创建大量 `jitted-XXXX-N.so` 文件，它们是 Python 所创建的所有 JIT 中间数据的 ELF 映像。

警告

当使用 `--call-graph dwarf` 时，`perf` 工具将对被分析进程的栈打快照并将信息保存在 `perf.data` 文件中。 在默认情况下，栈转储的大小为 8192 字节，但你可以通过额外传入一个逗号加数值如 `--call-graph dwarf,16384` 来改变这个大小。

栈转储的大小很重要因为如果这个值太小 `perf` 将无法展开栈信息而输出将不完整。 另一方面，如果这个值太大，那么 `perf` 将无法按需以足够的频率对进程执行采样因为那样资源开销会过高。

栈大小在对使用较低优化级别 (如 `-O0`) 编译的 Python 代码进行性能分析时更为重要，因为这类构建版往往有更大的栈帧。 如果你是使用 `-O0` 来编译 Python 并且没有在你的性能分析输出中看到 Python 函数，请尝试将栈转储大小增加到 65528 字节 (最大值):

    $ perf record -F 9999 -g -k 1 --call-graph dwarf,65528 -o perf.data python -Xperf_jit my_script.py

不同的编译旗标可能显著地影响栈大小：

- 使用 `-O0` 构建通常会比使用 `-O1` 或更高的值具有大得多的栈帧数。

- 添加优化 (`-O1`, `-O2` 等) 通常会减小栈大小

- 帧指针 (`-fno-omit-frame-pointer`) 通常会提供更可靠的栈展开