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作者：趙坤|騰訊魔王工作室后臺(tái)開發(fā)工程師

在項(xiàng)目開發(fā)中，經(jīng)常會(huì)遇到程序啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)、CPU使用率過高等問題，這個(gè)時(shí)候需要依靠性能分析工具來定位性能的消耗點(diǎn)。本文介紹三個(gè)常用的工具的入門級(jí)使用及圖形化方法，供大家參考。

本文介紹Perf、gprof和Valgrind三個(gè)性能分析工具，及其分析結(jié)果圖形化的方法，旨在讓大家更快的上手使用工具。出于篇幅的限制，本文不會(huì)對(duì)每種工具的使用參數(shù)及結(jié)果分析做詳細(xì)的介紹，只做入門級(jí)的使用說明，更多詳細(xì)的說明大家請(qǐng)Google一下。

每個(gè)工具的介紹會(huì)分成簡(jiǎn)介、使用說明、圖形化方法三個(gè)部分。

每種工具的結(jié)果都會(huì)基于下面這段代碼：

#include <unistd.h>using namespace std;#define NUM 500000void init(int* int_array){ for(int i=0;i<NUM;i++){ int_array[i]=i; }}void accu(int* int_array,long& sum ){ for(int i=0;i<NUM;i++){ sum+=int_array[i]; usleep(3); }}int main(){ int int_array[NUM]; init(int_array); long sum=0; accu(int_array,sum);}

這段代碼在普通PC上執(zhí)行了31s，最大CPU使用率為8.3%

Perf1.1 簡(jiǎn)介

Perf是內(nèi)置于Linux內(nèi)核源碼樹中的性能剖析(profiling)工具。其基于事件采樣原理，以性能事件為基礎(chǔ)，常用于性能瓶頸的查找與熱點(diǎn)代碼的定位。

1.2 使用

perf的使用可以分為兩種方式：

直接使用perf啟動(dòng)服務(wù)

掛接到已啟動(dòng)的進(jìn)程

第一種方式不需要root權(quán)限，第二種方式需要root權(quán)限

基于入門級(jí)使用這一前提，直接介紹一下使用方式：

perf record -e cpu-clock -g ./run 或者 perf record -e cpu-clock -g -p 4522

使用ctrl+c中斷perf進(jìn)程，或者在程序執(zhí)行結(jié)束后，會(huì)產(chǎn)生perf.data的文件，使用

perf report

會(huì)產(chǎn)生結(jié)果分析，如圖

1.3 圖形化方法

perf的結(jié)果可以生成火焰圖。生成火焰圖需要借助Flame Graph

Flame Graph項(xiàng)目位于GitHub:

https://github.com/brendangregg/FlameGraph

clone代碼或者直接下載壓縮包到服務(wù)器上。以壓縮包為例，是一個(gè)命名為：FlameGraph-master.zip的文件，假設(shè)其解壓后的目錄為：/data

基于1.2產(chǎn)生的perf.data，后續(xù)步驟如下：

1、使用perf script工具對(duì)perf.data進(jìn)行解析perf script -i perf.data &> perf.unfold 2、將perf.unfold中的符號(hào)進(jìn)行折疊：/data/stackcollapse-perf.pl perf.unfold &> perf.folded 3、最后生成svg圖：/data/flamegraph.pl perf.folded > perf.svg

生成的火焰圖如下：

關(guān)于火焰圖的含義及分析網(wǎng)上有很多文章，這里不再贅述

Gprof2.1 簡(jiǎn)介

gprof用于監(jiān)控程序中每個(gè)方法的執(zhí)行時(shí)間和被調(diào)用次數(shù)，方便找出程序中最耗時(shí)的函數(shù)。在程序正常退出后，會(huì)生成gmon.out文件，解析這個(gè)文件，可以生成一個(gè)可視化的報(bào)告

2.2 使用方法

使用gprof，需要在編譯時(shí)，加入-pg選項(xiàng)

另外只有在程序正常退出后才會(huì)生成gmon.out，kill進(jìn)程的方法是沒法生成gmon.out的。對(duì)于那些線程會(huì)一直run的服務(wù)，需要修改代碼，讓程序在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)停止。

重新編譯后，正常啟動(dòng)程序即可；然后在程序運(yùn)行結(jié)束后，會(huì)生成gmon.out文件

使用如下命令，生成報(bào)名文件（其中run是二進(jìn)制的名字）：

gprof -b run gmon.out >>report.txt

report.txt打開如下圖所示：

2.3 圖形化方法

gprof的結(jié)果文件需要借助gprof2dot.py和graphviz來展示

使用gprof2dot.py生成dot文件

python gprof2dot.py report.txt >report.dot

需要說明的是，這里要求服務(wù)器已經(jīng)安裝了python，并且要求gprof2dot.py與安裝的python版本匹配。這兩者是否匹配是一個(gè)需要運(yùn)氣、并且解決起來很無聊的事情，我的服務(wù)器上安裝的python是2.6.6，第一次從網(wǎng)上下載的gprof2dot-2017.9.19與python版本就不匹配，執(zhí)行會(huì)出錯(cuò)。目前使用的版本與2.6.6是兼容的，如果需要可以與我聯(lián)系。

dot的打開需要graphviz工具，我是在windows下安裝的graphviz，這個(gè)工具下載很簡(jiǎn)單。下載后使用gvedit.ext打開前一個(gè)步驟產(chǎn)生的report.dot文件即可

這個(gè)圖顯的有些萌萌噠，這是因?yàn)槲覀兊某绦驅(qū)懙谋容^簡(jiǎn)單，對(duì)于一般的業(yè)務(wù)而言，這個(gè)圖會(huì)比較復(fù)雜。

Valgrind3.1 簡(jiǎn)介

valgrind不是linux的原生工具，需要自行安裝。valgrind自身包含了多個(gè)工具：

• Memcheck：用于內(nèi)存泄漏檢查

• Callgrind：用于性能分析，會(huì)收集程序運(yùn)行時(shí)間和調(diào)用關(guān)系

• 以及Cachegrind、Helgrind等

這里我們主要使用的Callgrind工具

3.2 使用方法

首先需要安裝valgrind：

http://valgrind.org/downloads/valgrind-3.12.0.tar.bz2

解壓安裝包后，順次執(zhí)行：./configue 、make、make install 就可以了

使用valgrind來分析性能，必須使用valgrind來啟動(dòng)程序：

valgrind --tool=callgrind --separate-threads=yes ./run

--separate-threads是指是否按線程來分別統(tǒng)計(jì)，如果不加，會(huì)將所有線程的結(jié)果打到一個(gè)文件里；否則會(huì)按線程分別打印到不同文件里。

程序執(zhí)行結(jié)束后，會(huì)生成形如：callgrind.out.4263-01的文件。這個(gè)文件直接分析起來有些困難，必須借助圖形化的方式來瀏覽

3.3 圖形化方法

valgrind的圖形化需要借助kcachegrind.exe，大家可以自行下載，下載后在windows運(yùn)行即可。這是打開callgrind.out.4263-01的結(jié)果：

4工具比較

對(duì)于我們的需求：定位執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)、占用CPU最多的函數(shù) 來說，這三個(gè)工具都可以達(dá)到目的。但這三者之間還是有一定的差距：

4.1 啟動(dòng)方式

Perf雖然可以掛接進(jìn)程但需要root權(quán)限。在普通權(quán)限下，Perf和Valgrind必須使用前綴啟動(dòng)的方式來啟動(dòng)程序，這在某種程度上會(huì)影響到程序的性能。我們?cè)趬簻y(cè)的過程中發(fā)現(xiàn)使用Valgrind啟動(dòng)的時(shí)候，可以支持的在線總?cè)藬?shù)比直接運(yùn)行程序要少很多。

4.2 程序侵入

Perf和Valgrind都不需要修改Makefile或者程序，但gprof需要重新編譯文件，并且對(duì)于線程一直run的服務(wù)，還需要修改代碼讓其自然退出，這在一定程序上侵入了程序。但從對(duì)性能影響上來看，gprof可以最大限制的保留原程序的性能

4.3 結(jié)果展示

gprof的結(jié)果是一顆倒樹，這顆樹展示了從根到葉子的所有結(jié)點(diǎn)的時(shí)間消耗；perf的是一個(gè)金字塔，與gprof有異曲同工之妙；Valgrind的結(jié)果是一條單路，指出的是某條調(diào)用路徑上的時(shí)間消耗，并不是一個(gè)全局的展示。

4.4 監(jiān)控原理

這是一個(gè)很專業(yè)的話題，目前對(duì)三者的監(jiān)控原理還沒有摸的太透，所以這里暫時(shí)空著。大家有興趣可以先行研究。

問答

linux實(shí)時(shí)調(diào)度算法？

Linux中的多線程處理？

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總結(jié)

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