性能優(yōu)化-一個命令發(fā)現(xiàn)性能問題
本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號「編程珠璣」，作者守望先生 。轉(zhuǎn)載本文請聯(lián)系編程珠璣公眾號。
原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/pZtqz2tl4ArbCnzdDdDPwQ
為了取得程序的一丁點性能提升而大幅度增加技術(shù)的復(fù)雜性和晦澀性能，這個買賣做不得，這不僅僅是因為復(fù)雜的代碼容器滋生bug，也因為他會使日后的閱讀和維護工作要更加艱難。
為什么要性能優(yōu)化
也許是想要支持更高的吞吐量，想要更小的延遲，或者提高資源的利用率等，這些都是性能優(yōu)化的目標之一。不過需要提醒的是，不要過早的進行性能優(yōu)化。如果當前并沒有任何性能問題，又何必耗費這個精力呢?當前一些有助于提高性能的編碼習(xí)慣還是可以時刻保持的。
目標
全面的性能優(yōu)化不是一件簡單的事情。本系列文章不在于介紹性能優(yōu)化原理或者特定的算法優(yōu)化。旨在分享一些實踐中常用到的技巧，同時也主要關(guān)注CPU方面。
如何發(fā)現(xiàn)性能瓶頸
解決性能問題的第一步是發(fā)現(xiàn)性能問題。如何快速發(fā)現(xiàn)性能問題呢?對于本文來說，如何發(fā)現(xiàn)那些使CPU不停地瞎忙的代碼呢?為什么這里是說讓CPU瞎忙的代碼?
舉個例子，完成某個事情，你可能只需要一個CPU時間片，但是由于代碼不夠好，使得仍然需要多個CPU時間片。導(dǎo)致CPU非常忙碌，而無法繼續(xù)提高它的效率。
top
這個命令相信大家都用過，可以實時看到進程的一些狀態(tài)。它的使用方法有很多文章不厭其煩地對其進行了介紹，本文不打算進行介紹。我們可以通過top命令看到某個進程占用的CPU，但是CPU占用高并不代表它有性能問題，也有可能是CPU正在有效地高速運轉(zhuǎn)，并沒有占著茅坑不拉屎。
快速發(fā)現(xiàn)
想必我們都聽過八二法則，同樣的，80%的性能問題集中于20%的代碼。因此我們只要找到這20%的部分代碼，就可以有效地解決一些性能問題。
本文使用perf命令，它很強大，支持的參數(shù)也非常多，不過沒關(guān)系，本文也沒打算全部介紹。
系統(tǒng)中可能沒有perf命令，ubuntu可以使用如下方法安裝：
- sudo apt install linux-tools-common
實例
直接來看示例吧。例子很簡單，只是將字符串的字母轉(zhuǎn)為大寫罷了。當然了，很多人可能一眼就看出了哪里有性能問題，不過沒關(guān)系，這個例子只是為了說明perf的應(yīng)用。
- //來源：公眾號【編程珠璣】
- //作者：守望先生
- //toUpper.c
- #include<stdlib.h>
- #include<stdio.h>
- #include<time.h>
- #include<ctype.h>
- #include<string.h>
- #include<sys/time.h>
- #define MAX_LEN 1024*1024
- void printCostTime(struct timeval *start,struct timeval *end)
- {
- if(NULL == start || NULL == end)
- {
- return;
- }
- long cost = (end->tv_sec - start->tv_sec) * 1000 + (end->tv_usec - start->tv_usec)/1000;
- printf("cost time: %ld ms\n",cost);
- }
- int main(void)
- {
- srand(time(NULL));
- int min = 'a';
- int max = 'z';
- char *str = malloc(MAX_LEN);
- //申請失敗則退出
- if(NULL == str)
- {
- printf("failed\n");
- return -1;
- }
- unsigned int i = 0;
- while(i < MAX_LEN)//生成隨機數(shù)
- {
- str[i] = ( rand() % ( max - min ) ) + min;
- i++;
- }
- str[MAX_LEN - 1] = 0;
- struct timeval start,end;
- gettimeofday(&start,NULL);
- for(i = 0;i < strlen(str) ;i++)
- {
- str[i] = toupper( str[i] );
- }
- gettimeofday(&end,NULL);
- printCostTime(&start,&end);
- free(str);
- str = NULL;
- return 0;
- }
編譯成可執(zhí)行程序并運行：
- $ gcc -o toUpper toUpper.c
- $ ./toUpper
這個時候我們用top查看結(jié)果發(fā)現(xiàn)toUpper程序占用CPU 100%：
- $ top -p `pidof toUpper`
- PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
- 24456 root 20 0 5248 2044 952 R 100.0 0.0 0:07.13 toUpper
打開另外一個終端，執(zhí)行命令：
- $ perf top -p `pidof toUpper`
- Samples: 1K of event 'cycles:ppp', Event count (approx.): 657599945
- Overhead Shared Object Symbol
- 99.13% libc-2.23.so [.] strlen
- 0.19% [kernel] [k] perf_event_task_tick
- 0.11% [kernel] [k] prepare_exit_to_usermode
- 0.10% libc-2.23.so [.] toupper
- 0.09% [kernel] [k] rcu_check_callbacks
- 0.09% [kernel] [k] reweight_entity
- 0.09% [kernel] [k] task_tick_fair
- 0.09% [kernel] [k] native_write_msr
- 0.09% [kernel] [k] trigger_load_balance
- 0.00% [kernel] [k] native_apic_mem_write
- 0.00% [kernel] [k] __perf_event_enable
- 0.00% [kernel] [k] intel_bts_enable_local
其中pidof命令用于獲取指定程序名的進程ID。
看到結(jié)果了嗎?可以很清楚地看到，strlen函數(shù)占用了整個程序99%的CPU，那這個CPU的占用是否可以優(yōu)化掉呢?我們現(xiàn)在都清楚，顯然是可以的，在對每一個字符串進行大寫轉(zhuǎn)換時，都進行了字符串長度的計算，顯然是沒有必要，可以拿到循環(huán)之外的。
同時我們也關(guān)注到，這里面有很多符號可能完全沒見過，不知道什么含義了，比例如reweight_entity，不過我們知道它前面有著kernel字樣，因此也就明白，這是內(nèi)核干的事情，僅此而已。
這里實時查看的方法，當然你也可以保存信息進行查看。
- $ perf record -e cycles -p `pidof toUpper` -g -a
執(zhí)行上面的命令一段時間，用于采集相關(guān)性能和符號信息，隨后ctrl+c中止。默認當前目錄下生成perf.data，不過這里面的數(shù)據(jù)不易閱讀，因此執(zhí)行：
- $ perf report
- + 100.00% 0.00% toUpper [unknown] [k] 0x03ee258d4c544155
- + 100.00% 0.00% toUpper libc-2.23.so [.] __libc_start_main
- + 99.72% 99.34% toUpper libc-2.23.so [.] strlen
- 0.21% 0.02% toUpper [kernel.kallsyms] [k] apic_timer_interrupt
- 0.19% 0.00% toUpper [kernel.kallsyms] [k] smp_apic_timer_interrupt
- 0.16% 0.00% toUpper [kernel.kallsyms] [k] ret_from_intr
- 0.16% 0.00% toUpper [kernel.kallsyms] [k] hrtimer_interrupt
- 0.16% 0.00% toUpper [kernel.kallsyms] [k] do_IRQ
- 0.15% 0.15% toUpper libc-2.23.so [.] toupper
- 0.15% 0.00% toUpper [kernel.kallsyms] [k] handle_irq
- 0.15% 0.00% toUpper [kernel.kallsyms] [k] handle_edge_irq
- 0.15% 0.00% toUpper [kernel.kallsyms] [k] handle_irq_event
- 0.15% 0.00% toUpper [kernel.kallsyms] [k] handle_irq_event_percpu
- 0.14% 0.00% toUpper [kernel.kallsyms] [k] __handle_irq_event_percpu
- 0.14% 0.01% toUpper [kernel.kallsyms] [k] __hrtimer_run_queues
- 0.13% 0.00% toUpper [kernel.kallsyms] [k] _rtl_pci_interrupt
其中-g參數(shù)為了保存調(diào)用調(diào)用鏈，-a表示保存所有CPU信息。
因此就可以看到采樣信息了，怎么樣是不是很明顯，其中的+部分還可以展開，看到調(diào)用鏈。
例如展開的部分信息如下：
- - 100.00% 0.00% toUpper libc-2.23.so [.] __libc_start_main
- - __libc_start_main
- 99.72% strlen
當然了，實際上你也可以將結(jié)果重定向到另外一個文件，便于查看：
- $ perf report > result
- $ more result
- # Event count (approx.): 23881569776
- #
- # Children Self Command Shared Object Symbol
- # ........ ........ ....... ................. ..............................
- ...................
- #
- 100.00% 0.00% toUpper [unknown] [k] 0x03ee258d4c544155
- |
- ---0x3ee258d4c544155
- __libc_start_main
- |
- --99.72%--strlen
- 100.00% 0.00% toUpper libc-2.23.so [.] __libc_start_main
- |
- ---__libc_start_main
- |
- --99.72%--strlen
- 99.72% 99.34% toUpper libc-2.23.so [.] strlen
- |
- --99.34%--0x3ee258d4c544155
這樣看也是非常清晰的。
不過不要高興地太早，并不是所有情況都能清晰的看到具體問題在哪里的。
至于本文例子的性能問題怎么解決，相信你已經(jīng)很清楚了，只需要把strlen提到循環(huán)外即可，這里不再贅述。
總結(jié)
本文的例子過于簡單粗暴，但是足夠說明perf的使用，快速發(fā)現(xiàn)程序中占用CPU較高的部分，至于該部分能否被優(yōu)化，是否正常就需要進一步分析了。不過別急，后續(xù)將會分享一些常見的可優(yōu)化的性能點。
作者:守望，linux應(yīng)用開發(fā)者，目前在公眾號【編程珠璣】 分享Linux/C/C++/數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法/工具等原創(chuàng)技術(shù)文章和學(xué)習(xí)資源。
