QQ浏览器性能提升之路-windows性能分析工具篇

作者：jackxpzhao

如果你要在Windows上面做性能相关的工作，那WPT一定是个必备的神器。WPT的全名是Windows Performance Toolkit，是Windows下用来进行性能分析的一套工具，它的功能非常强大，你可以使用它来监控CPU，内存，磁盘和网络等等的活动，从而来确定当前系统的性能瓶颈。

WPT由两个独立的工具组成： Windows Performance Recorder (WPR) and Windows Performance Analyzer (WPA)。顾名思义，WPR记录Windows ETW产生的性能数据从而生成ETL文件，WPA则负责分析ETL文件。

安装和说明

你可以通过下载安装Windows ADK得到 Windows 性能工具包 (WPT) 。https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=39982

安装后几个比较重要的文件，默认路径在：C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Windows Performance Toolkit



wpa.exe — 解析ETL文件，并图形化、表格化展示。

wpaexporter.exe — 导出ETL文件的解析结果成文本格式。

wpr.exe — 记录ETW产生的数据，命令行模式。

WPRUI.exe — 记录ETW产生的数据，图形化界面，更友好。

xperf.exe — 早期版本WPT的核心组件Xperf，所以现在也习惯将WPT称为XPerf。Xperf的功能类似于现在的wpr+wpaexporter，可以记录ETW产生的数据，也可以导出结果到文本。

xperfview — 早期版本WPT中的分析工具，功能和现在的wpa一样，WPT从版本8以后已经没有这个exe了。在WinXP上只能使用旧版的Xperf，而且建议用对应的xperfview打开分析。

工作原理

和其他的性能分析工具不同，WPT是由Windows本身的事件机制来提供支持的——Event Tracing for Windows (ETW)。

ETW是从Windows 2000开始就引入的一种高速的事件记录机制，自那时以后，各种Windows操作系统核心和服务组件都通过ETW记录其活动，它现在是Windows平台上的关键系统仪表技术之一。在Windows 7中，ETW得到了进一步的增强。 正是基于ETW的优秀性能和强大功能，越来越多的第三方应用程序开始放弃自己的日志系统，逐渐开始使用ETW来追踪和记录其状态和活动，从而进行性能调优或是进行应用程序的日常维护。

下图来自MSDN，ETW的主要基本架构分成4个部分：Provider，Controller，Consumer和Session。



Provider：所谓的Provider，就是事件的提供者，它可以是系统组件，驱动程序或者是我们开发的应用程序, 我们在最后的记录文件中看到的事件就是来自于他们。首先，它需要向系统进行注册一个Event Trace，然后当这个Provider被Controller启动(Enable)后，它就可以开始向相应的Event Trace Session发送事件了。

Controller：Controller就是一个控制器。它的主要任务有两个：一是Event Trace Session的控制管理。它利用StartTracefunction在内存中创建一个Event Trace session，这样Provider就知道该往哪里发生事件。而Controller也会负责将Session里记录的事件送到Consumer。Controller的第二个任务就是对Provider进行管理，启动或是停止Provider。

Consumer：Consumer实时地从Event Trace Session或者是日志文件中订阅事件。

Session：它存在于内核中，用于表示一个ETW事件记录会话。系统中可以存在多个Session，每个Session都可以接收来自于多个Provider的事件，最后我们可以将多个Session中的事件写入一个日志文件中，这个日志文件就叫做Trace。

通过ETW，我们可以将系统所有关键的地方都加入事件，记录其行为和堆栈，比如CPU执行，线程切换和读写磁盘，这样我们就可以利用这些信息来进行分析了。

更多的工作原理大家可以自行参考官方介绍。

http://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/aa363668(v=vs.85).aspx

如何开始

说这么多，究竟如何才能定位性能问题呢？

把大象放进冰箱需要三步：第一步，把冰箱门打开；第二步，把大象放进去；第三步把冰箱门带上。我们只需要两步：

1） 生成ETL文件

先启动Xperf，这里只列了几个常用的参数

xperf -start SessionName -on Flags|Groups -f filename -maxfile Size -filemode Mode -stackwalk flags|@file

-start [SessionName]：需要启动的Session Name，只记录kernel logging的话Name可以为空。

-on Flags|Groups：指定需要开启的provider flags or groups，通过加号(+)分隔。

-f filename：指定写入的文件名字，Kernel trace默认是Kernel.etl, user trace默认是User.etl。

-maxfile Size：限定日志文件的大小，单位MB。

-filemode Mode：指定文件写入模式，默认是”Sequential”，还有”Circular”, “Append”, “NewFile”。

-stackwalk flags|@file：开启call stack的记录。

然后停止Xperf并生成ETL文件。

xperf -stop -stop Usersesssion -d filename

第一个stop停止kernel logging的记录，第二个stop停止名为Usersesssion的session，如果没有user session直接xperf -stop -d filename即可。

2） 分析ETL文件

使用wpa打开ETL文件，或者通过Xperf、wpaexporter导成文本格式分析。

踩过的坑

Xperf的启动、配置、解析有很多参数，不是很容易上手，这里说下几个踩过的坑。

1） 版本问题：目前Xperf能下载到的版本有4.8 / 6.3 / 10.0，这几个版本的兼容性并不是很好，生成ETL文件后，一定注意要用同版本的Xperf、WPA或是XperfView去分析，用不同版本的话会有一些奇怪的问题，例如打开报错、看不到关键数据、闪退等等。

2） 如果你正在使用Process Monitor或Process Explorer，需要先关闭它们再启动Xperf，否则会报错，因为这两个工具也会通过ETW收集信息。



3） Win XP只支持老版本的WPT，也就是用WPT版本6（XPerf Version 4.8）捕获Trace。

4） Xperf的启动参数很多，开的越多带来的额外系统开销也会越多，ETL文件也会越大。所以一定要按需配置，有针对性的开启需要的providers。



5） 虽然我习惯了Xperf，但还是推荐大家优先尝试新版本里面的WPRUI，在易用性方面已经改善了很多。关于各个Scenario的含义，可以参考微软的官方文档。（当然他们写的很简略……）

https://msdn.microsoft.com/zh-CN/library/windows/hardware/dn927307.aspx



6） 针对Xperf配置麻烦的问题我也封装了一个脚本，启动参数包含一些经常用到的providers，循环文件写入模式，支持Win7 / Win10 / XP。碰到可以复现的性能问题时，双击对应的bat脚本即可。也推荐同学们尝试，可以在附件里面下载。



7） 如果开启调用堆栈（call stacks）记录功能，得先有对应的providers flag，然后通过-stackwalk开启堆栈调用记录。下面这个例子记录sampling profiler call stacks。

xperf -on PROC_THREAD+LOADER+PROFILE -stackwalk Profile

在64位的Windows开启stackwalk的功能需要设置注册表DisablePagingExecutive。

REG ADD “HKLM\System\CurrentControlSet\Control\Session Manager\Memory Management” -v DisablePagingExecutive -d 0x1 -t REG_DWORD -f

设置完成后需要重启操作系统才能记录调用堆栈。

高CPU占用实战

持续的高CPU占用是很常见的性能问题，为了方便重现，我们先借助小工具CPUSTRES.EXE模拟High CPU usage。软件打开后active所有的thread，并设置下activity为Max即可。



通过Process Explorer可以看到系统的CPU占用已经达到50%左右，大部分都是CPUSTRES造成的。

1. 生成ETL文件

现在我们先通过上文中提到的脚本捕获一个有效的ETL文件。

双击“Win7_开始监控.bat”，出现提示字样开始等待，因为这是CPU持续占用问题，特征很明显，等待几秒钟后Xperf就应该收集到了足够多的信息。



在命令行窗口回车，脚本会自动生成ETL文件并压缩。



如果你想手动启停Xperf的话，可以在命令行输入：

xperf.exe -start -on Base -stackwalk Profile

已知是CPU占用问题，不要开启其他providers，其中Base provider本身是一个kernel group，包含：PROC_THREAD+LOADER+DISK_IO+HARD_FAULTS+PROFILE+MEMINFO+MEMINFO_WS

片刻后命令行停止即可：

xperf -stop –d test.etl



你也可以通过WPR或是WPRUI来捕获这个ETL文件。（自己动手试试吧……）

2. 分析这个ETL文件

打开之后我们会发现WPA的左侧有很多的图，并且他们被分为几类：



System Activity：系统活动，里面主要是进程线程的生命周期，原始事件等等内容。

Computation：记录了CPU的各项活动。

Storage：记录了磁盘的活动和文件的操作。

Memory：记录了系统内存的变化。

Power：记录了电源相关的各种信息。

展开Computation视图后，可以看到CPUSTRES.EXE的CPU Weight百分比和Process Explorer看到的一致，50%左右。

Symbols

没有符号文件的话，分析Xperf trace基本是找不到太多有用的信息的。

打开WPA的Configure Symbol Paths窗口





2.Symbol Path:

srv*C:\Symols*http://msdl.microsoft.com/download/symbols;Y:\;

http://msdl.microsoft.com/download/symbols是微软官方的symbol server，在load symbols后，WPA会把用到过的symbols文件下载到C:\Symbols，这样用到过的symbols文件只会下载一次。Path通过分号(;)隔开，对于用户自己的应用程序，需要在path里面加上对应版本的符号文件路径。

3.SymCache Path

WPA用SymCache文件来缓存PDB的符号信息，一旦ETL文件相关的PDB文件被缓存过，对这个文件重新加载符号文件会快很多。

Loading Symbols之后，可以看到微软自己的function stack都解析出来了，因为没有CPUSTRES.EXE的符号文件，我们看不到具体的调用栈，以及是哪个函数造成的如此高的CPU占用。



如果这是你自己的应用程序，通过加载符号文件后相信能够很容易从代码级别定位到问题所在。当然Xperf的trace并不是万能的，要想快速从众多的图表中找到关键信息，首先你得对要分析的性能问题有个基本的判断，是CPU问题、内存问题、启动时间过长还是启动失败等等。有了发力的点才能从ETL文件中定位出有效的信息，我们也可以结合Xperf或wpaexporter导出的文本数据做更多自动化方面的事情。

本章完~

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