Perf¶

Es una herramienta del kernel de Linux que permite acceder directamente a los contadores de rendimiento del hardware (Performance Monitoring Counters, PMCs). Podemos medir ciclos de CPU, instrucciones ejecutadas, fallos de caché y muchas otras métricas de bajo nivel.

A diferencia de Valgrind, que simula la caché en software, perf lee los contadores reales del hardware. Esto lo hace mucho más rápido y con menor overhead, pero proporciona mediciones estadísticas basadas en muestreo, no una traza completa de cada acceso.

perf stat permite monitorear las estadísticas de rendimiento de un proceso durante toda su ejecución.

# --repeat 10: Ejecuta el programa 10 veces y muestra el promedio y desviación.
# -e cycles:u: Cuenta ciclos de CPU en modo usuario (no kernel).
# -e instructions:u: Cuenta instrucciones ejecutadas en modo usuario.
# -e l1-dcache-loads:u: Cuenta cargas (lecturas) desde la caché L1 de datos.
# -e l1-dcache-load-misses:u: Cuenta fallos en esas cargas (cuando el dato no estaba en L1).
perf stat --repeat 10 -e cycles:u \
-e instructions:u -e l1-dcache-loads:u \
-e l1-dcache-load-misses:u ./bueno

 Performance counter stats for './bueno' (10 runs):

     1.177.787.894      cycles:u                                                                ( +-  0,15% )
     3.504.983.954      instructions:u                                                          ( +-  0,00% )
     1.108.892.990      l1-dcache-loads:u                                                       ( +-  0,00% )
        13.219.995      l1-dcache-load-misses:u                                                 ( +-  0,14% )

           0,43538 +- 0,00164 seconds time elapsed  ( +-  0,38% )

En este caso se detectaron 3.5 mil millones de instrucciones y aproximadamente 13 millones de fallos de lectura de caché L1. La tasa de fallos es baja (~1.2%), indicando un buen uso de la caché.

# Mismo análisis para el programa con patrón de acceso ineficiente
perf stat --repeat 10 -e cycles:u \
-e instructions:u -e l1-dcache-loads:u \
-e l1-dcache-load-misses:u ./malo

 Performance counter stats for './malo' (10 runs):

     2.796.626.915      cycles:u                                                                ( +-  0,22% )
     3.504.984.293      instructions:u                                                          ( +-  0,00% )
     1.111.367.503      l1-dcache-loads:u                                                       ( +-  0,01% )
       120.227.697      l1-dcache-load-misses:u                                                 ( +-  0,02% )

           0,79385 +- 0,00108 seconds time elapsed  ( +-  0,14% )

Estamos viendo que pasamos de ~1.177 millones de ciclos de CPU a ~2.796 millones (más del doble). Los fallos de caché pasaron de ~13 millones a ~120 millones (casi 10 veces más), lo cual explica directamente el aumento en los ciclos y el tiempo de ejecución, confirmando el problema de acceso a memoria.

Con perf record podemos generar perfiles detallados (archivos de datos) para analizar posteriormente en diferentes herramientas de visualización.

# -g: Habilita la captura del grafo de llamadas (call graph).
# -e ...: Especifica los eventos a muestrear.
# -F 99: Establece la frecuencia de muestreo a 99 Hz (muestras por segundo).
perf record -g -e cycles:u \
-e instructions:u -e l1-dcache-loads:u \
-e l1-dcache-load-misses:u -F 99 ./bueno
999900000000
[ perf record: Woken up 2 times to write data ]
[ perf record: Captured and wrote 0,031 MB perf.data (276 samples) ]

# Perfilamos el programa ineficiente
perf record -g -e cycles:u \
-e instructions:u -e l1-dcache-loads:u \
-e l1-dcache-load-misses:u -F 99 ./malo
999900000000
[ perf record: Woken up 2 times to write data ]
[ perf record: Captured and wrote 0,044 MB perf.data (397 samples) ]

En ambos casos se generará un archivo llamado perf.data el cual podemos revisar.

# Abre un reporte interactivo en la terminal basado en los datos capturados.
perf report

También podemos generar un reporte visual en el navegador usando el formato compatible con Firefox Profiler.

# Convierte el archivo perf.data a un formato JSON y lo abre en Firefox Profiler.
perf script report gecko
Staring Firefox Profiler on your default browser...
Serving HTTP on 0.0.0.0 port 8000 (http://0.0.0.0:8000/) ...
Opening in existing browser session.
127.0.0.1 - - [26/Mar/2026 12:05:22] "GET /gecko_profile.json HTTP/1.1" 200 -
[ perf gecko: Captured and wrote into gecko_profile.json ]

Por ejemplo, para monitorear con una configuración específica (nota: el comando original tiene eventos duplicados):

# Comando con eventos duplicados (ciclos:u, instructions:u, etc. aparecen dos veces).
# En la práctica, se especificaría cada evento una sola vez.
perf record -g -e cycles:u -e cycles:u \
-e instructions:u -e l1-dcache-loads:u \
-e l1-dcache-load-misses:u  \
-e instructions:u -e l1-dcache-loads:u \
-e l1-dcache-load-misses:u -F 99 ./malo

Para visualizar el reporte generado en el navegador:

perf script report gecko

Tabla de Resumen¶

Concepto	Descripción	Comando/Opción Clave	Diferencia Clave con Herramientas Similares
`perf` (Linux Perf)	Herramienta de profiling de sistema integrada en el kernel Linux. Accede a contadores de hardware (PMCs) para medición de rendimiento.	`perf`	Bajo overhead, mediciones reales de hardware. Parte del kernel.
Contadores de Hardware (PMCs)	Registros especiales en la CPU que cuentan eventos como ciclos, instrucciones, fallos de caché, predicciones erróneas de branch, etc.	Especificados con `-e` (ej: `cycles:u`, `cache-misses`)	Proporcionan datos precisos de lo que ocurre en el CPU, no una simulación.
`perf stat`	Muestra un resumen agregado de contadores para la ejecución completa de un comando.	`perf stat <comando>`	Ideal para obtener métricas globales (totales, promedios) y comparar versiones de código.
`perf record`	Realiza un muestreo basado en eventos y guarda los datos en un archivo (`perf.data`) para análisis posterior.	`perf record <comando>`	Permite análisis detallado post-mortem y generación de perfiles de llamadas (flame graphs).
`perf report`	Analiza interactivamente el archivo de datos (`perf.data`) generado por `perf record`.	`perf report`	Navegación por funciones y código fuente donde se consumen más muestras/eventos.
`perf script`	Convierte el archivo `perf.data` a otros formatos de salida (texto, JSON para visualizadores).	`perf script report gecko`	Facilita la integración con herramientas de visualización externas como Firefox Profiler.
Modo Usuario (`:u`)	Filtro para contar eventos que ocurren solo mientras la CPU ejecuta código en espacio de usuario (user-space).	`-e cycles:u`	Aísla el comportamiento de la aplicación, excluyendo el tiempo gastado en el kernel.
Frecuencia de Muestreo (`-F`)	Controla cuántas muestras por segundo se toman durante el `perf record`.	`-F 99` (99 Hz)	Mayor frecuencia da más resolución pero genera archivos más grandes. 1000 Hz es común para profiling detallado.
Grafo de Llamadas (`-g`)	Habilita la captura de la pila de llamadas (call stack) en cada muestra.	`perf record -g`	Esencial para crear flame graphs y entender la cadena de llamadas que causa los eventos.

Comentarios Adicionales¶

Overhead Mínimo: perf tiene un overhead mucho menor que Valgrind porque utiliza el soporte de hardware del CPU para el muestreo. Esto permite perfilar aplicaciones en producción o con cargas reales.
Muestreo vs. Trazado Completo: perf generalmente funciona por muestreo (ej: interrumpe el programa cada X eventos para registrar una muestra). Esto da una visión estadística representativa, no un registro de cada instrucción. Valgrind/Callgrind, en cambio, hace un trazado completo (instrumentación), lo cual es más lento pero puede ser más preciso para conteos exactos de ciertos eventos en código pequeño.
Eventos Disponibles: La lista de eventos que se pueden medir (perf list) es extensa y depende del modelo específico de CPU. Incluye eventos para caché, memoria, branch prediction, estancamientos de pipeline (stalls), etc.
Análisis Jerárquico: Combinando perf record con perf report o visualizadores como FlameGraph, se puede identificar no solo qué función es costosa, sino por qué camino de llamadas (call path) se llega a ella, lo que es crucial para optimizaciones.
Perf para el Sistema: Además de perfilar un comando específico, perf puede monitorear todo el sistema (perf stat -a), un proceso específico en tiempo real, o incluso hacer tracing de eventos del kernel (con tracepoints).
Requisitos de Permisos: Para acceder a todos los contadores de hardware, perf a menudo necesita ejecutarse con capacidades especiales (como CAP_SYS_ADMIN) o como root. En muchos sistemas, se puede habilitar el acceso para usuarios no privilegiados configurando kernel.perf_event_paranoid (ej: sudo sysctl -w kernel.perf_event_paranoid=1).
Integración con Desarrollo: perf se integra bien con compiladores como GCC y Clang. Compilar con información de depuración (-g) y sin eliminar símbolos permite que perf report muestre los nombres de las funciones y, con las herramientas adecuadas, incluso las líneas de código fuente responsables.