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來源：百問網
作者：韋東山
本文字數：3408，閱讀時長：5分鐘

使用 buildroot 來給 ARM 板編譯程序、編譯庫會很簡單，以后系統講解 buildroot 時再使用 buildroot。現在我們還是手工交叉編譯 freetype，這種方法在編譯、安裝一些小程序時很有用。

1、程序運行的一些基礎知識

1. 編譯程序時去哪找頭文件？

系統目錄：就是交叉編譯工具鏈里的某個 include 目錄；

也可以自己指定：編譯時用 “ -I dir ”選項指定。

2. 鏈接時去哪找庫文件？

系統目錄：就是交叉編譯工具鏈里的某個 lib 目錄；

也可以自己指定：鏈接時用 “ -L dir ”選項指定。

3. 運行時去哪找庫文件？

系統目錄：就是板子上的/lib、/usr/lib 目錄；

也可以自己指定：運行程序用環境變量 LD_LIBRARY_PATH 指定。

4. 運行時不需要頭文件，所以頭文件不用放到板子上

2、常見錯誤的解決方法

1. 頭文件問題

編譯時找不到頭文件。在程序中這樣包含頭文件：#include <xxx.h>

對于尖括號里的頭文件，去哪里找它？

系統目錄：就是交叉編譯工具鏈里的某個 include 目錄；

也可以自己指定：編譯時用 “ -I dir ”選項指定。

怎么確定“系統目錄”？

執行下面命令確定目錄：

echo 'main(){}'| arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -E -v -

它會列出頭文件目錄、庫目錄(LIBRARY_PATH)。

你需要在頭文件目錄中確定有沒有這個文件，或是自己指定頭文件目錄。

2. 庫文件問題

鏈接程序時如果有這樣的提示：undefined reference to `xxx'，它表示 xxx 函數未定義。

那么解決方法有 2：

① 去寫出這個函數

② 或是使用庫函數，那需要在鏈接時指定庫

怎么指定庫？想鏈接 libabc.so，那鏈接時加上：-labc。

庫在哪里？

① 系統目錄：就是交叉編譯工具鏈里的某個 lib 目錄

② 也可以自己指定：鏈接時用 “ -L dir ”選項指定

怎么確定“系統目錄”？執行下面命令確定目錄：

echo 'main(){}'| arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -E -v –

它會列出頭文件目錄、庫目錄(LIBRARY_PATH)，你編譯出庫文件時，可以把它放入系統庫目錄。

3. 運行問題

運行程序時找不到庫：

error while loading shared libraries: libxxx.so:
cannot open shared object file: No such file or directory

找不到庫，庫在哪？

① 系統目錄：就是板子上的/lib、/usr/lib 目錄

② 也可以自己指定：

運行程序用環境變量 LD_LIBRARY_PATH 指定，執行以下的命令：

export LD_LIBRARY_PATH=/xxx_dir ; ./test
或
LD_LIBRARY_PATH=/xxx_dir ./test

3、交叉編譯程序的萬能命令

如果交叉編輯工具鏈的前綴是 arm-buildroot-linux-gnueabihf-，比如 arm-buildroot-linux

gnueabihf-gcc，交叉編譯開源軟件時，如果它里面有 configure，萬能命令如下：

./configure --host=arm-buildroot-linux-gnueabihf --prefix=$PWD/tmp
make
make install

就可以在當前目錄的 tmp 目錄下看見 bin, lib, include 等目錄，里面存有可執行程序、庫、頭文件。

1. 把頭文件、庫文件放到工具鏈目錄里

如果你編譯的是一個庫，請把得到的頭文件、庫文件放入工具鏈的 include、lib 目錄里。別的程序要

使用這些頭文件、庫時，會很方便。

工具鏈里可能有多個 include、lib 目錄，放到哪里去？

執行下面命令來確定目錄：

echo 'main(){}'| arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -E -v –

它會列出頭文件目錄、庫目錄(LIBRARY_PATH)。

2. 把庫文件放到板子上的/lib 或/usr/lib 目錄里

程序在板子上運行時，需要用到板子上/lib 或/usr/lib 下的庫文件；程序運行時不需要頭文件。

4、交叉編譯 freetype

使用 GIT 下載所有源碼后，本節源碼位于如下目錄：

01_all_series_quickstart\
04_嵌入式 Linux 應用開發基礎知識\source\10_freetype\
freetype-2.10.2.tar.xz
libpng-1.6.37.tar.xz

本節文檔以 STM32MP157 開發板，對于其他開發板：工具鏈可能不一樣，請靈活變通。

1. 確定頭文件、庫文件在工具鏈中的目錄

以 STM32MP157 開發板為例，它的工具鏈是 arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc，可以執行以下命令：

echo 'main(){}'| arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -E -v -

可以確定頭文件的系統目錄為：

/home/book/100ask_stm32mp157_pro-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/arm-buildroot-linux-gnueabihf/sysroot/usr/include

庫文件的系統目錄為：

/home/book/100ask_stm32mp157_pro-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/arm-buildroot-linux-gnueabihf/sysroot/usr/lib

2. 交叉編譯、安裝 libpng

freetype 依賴于 libpng，所以需要先編譯、安裝 libpng。命令如下：

book@PC$ tar xJf libpng-1.6.37.tar.xz
book@PC$ cd libpng-1.6.37
book@PC$ ./configure --host=arm-buildroot-linux-gnueabihf --prefix=$PWD/tmp
book@PC$ make
book@PC$ make install
book@PC$ cd tmp
book@PC$ cp include/* -rf /home/book/100ask_stm32mp157_pro-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/arm-buildroot-linux-gnueabihf/sysroot/usr/include
book@PC$ cp lib/* -rfd /home/book/100ask_stm32mp157_pro-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/arm-buildroot-linux-gnueabihf/sysroot/usr/lib

3. 交叉編譯、安裝 freetype

命令如下：

book@PC$ tar xJf freetype-2.10.2.tar.xz
book@PC$ cd freetype-2.10.2
book@PC$ ./configure --host=arm-buildroot-linux-gnueabihf --prefix=$PWD/tmp
book@PC$ make
book@PC$ make install
book@PC$ cd tmp
book@PC$ cp include/* -rf /home/book/100ask_stm32mp157_pro-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/arm-buildroot-linux-gnueabihf/sysroot/usr/include
book@PC$ cp lib/* -rfd /home/book/100ask_stm32mp157_pro-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/arm-buildroot-linux-gnueabihf/sysroot/usr/lib

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本文是通過學習極客時間專欄《Linux性能優化實戰》05 | 基礎篇：某個應用的CPU使用率居然達到100%，我該怎么辦？

CPU 使用率

***為了維護 CPU 時間，Linux 通過事先定義的節拍率（內核中表示為 HZ），觸發時間中斷，并使用全局變量 Jiffies 記錄了開機以來的節拍數。每發生一次時間中斷，Jiffies 的值就加 1。
節拍率 HZ 是內核的可配選項，可以設置為 100、250、1000 等。不同的系統可能設置不同數值，你可以通過查詢 /boot/config 內核選項來查看它的配置值。比如在我的系統中，節拍率設置成了 250，也就是每秒鐘觸發 250 次時間中斷。

$ grep 'CONFIG_HZ=' /boot/config-$(uname -r)
CONFIG_HZ=250

同時，正因為節拍率 HZ 是內核選項，所以用戶空間程序并不能直接訪問。為了方便用戶空間程序，內核還提供了一個用戶空間節拍率 USERHZ，它總是固定為 100，也就是 1/100 秒。這樣，用戶空間程序并不需要關心內核中 HZ 被設置成了多少，因為它看到的總是固定值 USERHZ。
Linux 通過 /proc 虛擬文件系統，向用戶空間提供了系統內部狀態的信息，而 /proc/stat 提供的就是系統的 CPU 和任務統計信息。比方說，如果你只關注 CPU 的話，可以執行下面的命令：

# 只保留各個CPU的數據
$ cat /proc/stat | grep ^cpu
cpu 280580 7407 286084 172900810 83602 0 583 0 0 0
cpu0 144745 4181 176701 86423902 52076 0 301 0 0 0
cpu1 135834 3226 109383 86476907 31525 0 282 0 0 0

這里的輸出結果是一個表格。其中，第一列表示的是 CPU 編號，如 cpu0、cpu1 ，而第一行沒有編號的 cpu ，表示的是所有 CPU 的累加。其他列則表示不同場景下 CPU 的累加節拍數，它的單位是 USER_HZ，也就是 10 ms（1/100 秒），所以這其實就是不同場景下的 CPU 時間。
當然，這里每一列的順序并不需要你背下來。你只要記住，有需要的時候，查詢 man proc 就可以。不過，你要清楚 man proc 文檔里每一列的涵義，它們都是 CPU 使用率相關的重要指標，你還會在很多其他的性能工具中看到它們。下面，我來依次解讀一下。

user（通常縮寫為 us），代表用戶態 CPU 時間。注意，它不包括下面的 nice 時間，但包括了 guest 時間。
nice（通常縮寫為 ni），代表低優先級用戶態 CPU 時間，也就是進程的 nice 值被調整為 1-19 之間時的 CPU 時間。這里注意，nice 可取值范圍是 -20 到 19，數值越大，優先級反而越低。
system（通常縮寫為 sys），代表內核態 CPU 時間。
idle（通常縮寫為 id），代表空閑時間。注意，它不包括等待 I/O 的時間（iowait）。
iowait（通常縮寫為 wa），代表等待 I/O 的 CPU 時間。
irq（通常縮寫為 hi），代表處理硬中斷的 CPU 時間。
softirq（通常縮寫為 si），代表處理軟中斷的 CPU 時間。
steal（通常縮寫為 st），代表當系統運行在虛擬機中的時候，被其他虛擬機占用的 CPU 時間。
guest（通常縮寫為 guest），代表通過虛擬化運行其他操作系統的時間，也就是運行虛擬機的 CPU 時間。
guest_nice（通常縮寫為 gnice），代表以低優先級運行虛擬機的時間。
而我們通常所說的 CPU 使用率，就是除了空閑時間外的其他時間占總 CPU 時間的百分比，用公式來表示就是：

怎么查看 CPU 使用率

top 和 ps 是最常用的性能分析工具：top 顯示了系統總體的 CPU 和內存使用情況，以及各個進程的資源使用情況。ps 則只顯示了每個進程的資源使用情況。

# 默認每3秒刷新一次
$ top
top - 11:58:59 up 9 days, 22:47, 1 user, load average: 0.03, 0.02, 0.00
Tasks: 123 total, 1 running, 72 sleeping, 0 stopped, 0 zombie
%Cpu(s): 0.3 us, 0.3 sy, 0.0 ni, 99.3 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
KiB Mem : 8169348 total, 5606884 free, 334640 used, 2227824 buff/cache
KiB Swap: 0 total, 0 free, 0 used. 7497908 avail Mem
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND 
1 root 20 0 78088 9288 6696 S 0.0 0.1 0:16.83 systemd 
2 root 20 0 0 0 0 S 0.0 0.0 0:00.05 kthreadd 
4 root 0 -20 0 0 0 I 0.0 0.0 0:00.00 kworker/0:0H
...

這個輸出結果中，top 默認顯示的是所有 CPU 的平均值，這個時候你只需要按下數字 1 ，就可以切換到每個 CPU 的使用率了。
繼續往下看，空白行之后是進程的實時信息，每個進程都有一個 %CPU 列，表示進程的 CPU 使用率。它是用戶態和內核態 CPU 使用率的總和，包括進程用戶空間使用的 CPU、通過系統調用執行的內核空間 CPU 、以及在就緒隊列等待運行的 CPU。在虛擬化環境中，它還包括了運行虛擬機占用的 CPU。
用 pidstat 吧，它正是一個專門分析每個進程 CPU 使用情況的工具。下面的 pidstat 命令，就間隔 1 秒展示了進程的 5 組 CPU 使用率，包括：

用戶態 CPU 使用率（%usr）；
內核態 CPU 使用率（%system）；
運行虛擬機 CPU 使用率（%guest）；
等待 CPU 使用率（%wait）；
以及總的 CPU 使用率（%CPU）。
最后的 Average 部分，還計算了 5 組數據的平均值。

# 每隔1秒輸出一組數據，共輸出5組
$ pidstat 1 5
15:56:02 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
15:56:03 0 15006 0.00 0.99 0.00 0.00 0.99 1 dockerd
...
Average: UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
Average: 0 15006 0.00 0.99 0.00 0.00 0.99 - dockerd

CPU 使用率過高怎么辦？

使用 perf 分析 CPU 性能問題，我來說兩種最常見、也是我最喜歡的用法。
第一種常見用法是 perf top，類似于 top，它能夠實時顯示占用 CPU 時鐘最多的函數或者指令，因此可以用來查找熱點函數，使用界面如下所示：

$ perf top
Samples: 833 of event 'cpu-clock', Event count (approx.): 97742399
Overhead Shared Object Symbol 
    7.28% perf [.] 0x00000000001f78a4 
    4.72% [kernel] [k] vsnprintf 
    4.32% [kernel] [k] module_get_kallsym 
    3.65% [kernel] [k] _raw_spin_unlock_irqrestore
...

輸出結果中，第一行包含三個數據，分別是采樣數（Samples）、事件類型（event）和事件總數量（Event count）。比如這個例子中，perf 總共采集了 833 個 CPU 時鐘事件，而總事件數則為 97742399。
再往下看是一個表格式樣的數據，每一行包含四列，分別是：

第一列 Overhead ，是該符號的性能事件在所有采樣中的比例，用百分比來表示。
第二列 Shared ，是該函數或指令所在的動態共享對象（Dynamic Shared Object），如內核、進程名、動態鏈接庫名、內核模塊名等。
第三列 Object ，是動態共享對象的類型。比如 [.] 表示用戶空間的可執行程序、或者動態鏈接庫，而 [k] 則表示內核空間。
最后一列 Symbol 是符號名，也就是函數名。當函數名未知時，用十六進制的地址來表示。
還是以上面的輸出為例，我們可以看到，占用 CPU 時鐘最多的是 perf 工具自身，不過它的比例也只有 7.28%，說明系統并沒有 CPU 性能問題。 perf top 的使用你應該很清楚了吧。
接著再來看第二種常見用法，也就是 perf record 和 perf report。 perf top 雖然實時展示了系統的性能信息，但它的缺點是并不保存數據，也就無法用于離線或者后續的分析。而 perf record 則提供了保存數據的功能，保存后的數據，需要你用 perf report 解析展示。

$ perf record # 按Ctrl+C終止采樣
[ perf record: Woken up 1 times to write data ]
[ perf record: Captured and wrote 0.452 MB perf.data (6093 samples) ]

$ perf report # 展示類似于perf top的報告

測試一下這個 Nginx 服務的性能

# 并發10個請求測試Nginx性能，總共測試100個請求
$ ab -c 10 -n 10000 http://192.168.0.10:10000/
This is ApacheBench, Version 2.3 <$Revision: 1706008 $>
Copyright 1996 Adam Twiss, Zeus Technology Ltd, 
...
Requests per second: 11.63 [#/sec] (mean)
Time per request: 859.942 [ms] (mean)
...

新開一個終端運行 top 命令，并按下數字 1 ，切換到每個 CPU 的使用率：

$ top

怎么知道是 php-fpm 的哪個函數導致了 CPU 使用率升高呢？我們來用 perf 分析一下。在第一個終端運行下面的 perf 命令：

# -g開啟調用關系分析，-p指定php-fpm的進程號21515
$ perf top -g -p 21515

小結

CPU 使用率是最直觀和最常用的系統性能指標，更是我們在排查性能問題時，通常會關注的第一個指標。所以我們更要熟悉它的含義，尤其要弄清楚用戶（%user）、Nice（%nice）、系統（%system）、等待 I/O（%iowait）、中斷（%irq）以及軟中斷（%softirq）這幾種不同 CPU 的使用率。比如說：

用戶 CPU 和 Nice CPU 高，說明用戶態進程占用了較多的 CPU，所以應該著重排查進程的性能問題。
系統 CPU 高，說明內核態占用了較多的 CPU，所以應該著重排查內核線程或者系統調用的性能問題。
I/O 等待 CPU 高，說明等待 I/O 的時間比較長，所以應該著重排查系統存儲是不是出現了 I/O 問題。
軟中斷和硬中斷高，說明軟中斷或硬中斷的處理程序占用了較多的 CPU，所以應該著重排查內核中的中斷服務程序。
碰到 CPU 使用率升高的問題，你可以借助 top、pidstat 等工具，確認引發 CPU 性能問題的來源；再使用 perf 等工具，排查出引起性能問題的具體函數。思考

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