性能优化(1)-gprof
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性能优化(1)-gprof
baione 发表于2年前
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摘要: 最近要对一个程序进行优化,网上搜到的文章保存,先。

1简介

改进应用程序的性能是一项非常耗时耗力的工作,但是究竟程序中是哪些函数消耗掉了大部分执行时间,这通常都不是非常明显的。GNU 编译器工具包所提供了一种剖析工具 GNU profiler(gprof)。gprof 可以为 Linux平台上的程序精确分析性能瓶颈。gprof精确地给出函数被调用的时间和次数,给出函数调用关系。

gprof 用户手册网站 http://sourceware.org/binutils/docs-2.17/gprof/index.html

2功能

Gprof 是GNU gnu binutils工具之一,默认情况下linux系统当中都带有这个工具。

1. 可以显示“flat profile”,包括每个函数的调用次数,每个函数消耗的处理器时间,

2. 可以显示“Call graph”,包括函数的调用关系,每个函数调用花费了多少时间。

3. 可以显示“注释的源代码”--是程序源代码的一个复本,标记有程序中每行代码的执行次数。

3原理

通过在编译和链接程序的时候(使用 -pg 编译和链接选项),gcc 在你应用程序的每个函数中都加入了一个名为mcount ( or  “_mcount”  , or  “__mcount” , 依赖于编译器或操作系统)的函数,也就是说你的应用程序里的每一个函数都会调用mcount, 而mcount 会在内存中保存一张函数调用图,并通过函数调用堆栈的形式查找子函数和父函数的地址。这张调用图也保存了所有与函数相关的调用时间,调用次数等等的所有信息。

4使用流程

1. 在编译和链接时 加上-pg选项。一般我们可以加在 makefile 中。

2. 执行编译的二进制程序。执行参数和方式同以前。

3. 在程序运行目录下 生成 gmon.out 文件。如果原来有gmon.out 文件,将会被重写。

4. 结束进程。这时 gmon.out 会再次被刷新。

5. 用 gprof 工具分析 gmon.out 文件。

5参数说明

-b 不再输出统计图表中每个字段的详细描述。

-p 只输出函数的调用图(Call graph的那部分信息)。

-q 只输出函数的时间消耗列表。

-e Name 不再输出函数Name 及其子函数的调用图(除非它们有未被限制的其它父函数)。可以给定多个 -e 标志。一个 -e 标志只能指定一个函数。

-E Name 不再输出函数Name 及其子函数的调用图,此标志类似于 -e 标志,但它在总时间和百分比时间的计算中排除了由函数Name 及其子函数所用的时间。

-f Name 输出函数Name 及其子函数的调用图。可以指定多个 -f 标志。一个 -f 标志只能指定一个函数。

-F Name 输出函数Name 及其子函数的调用图,它类似于 -f 标志,但它在总时间和百分比时间计算中仅使用所打印的例程的时间。可以指定多个 -F 标志。一个 -F 标志只能指定一个函数。-F 标志覆盖 -E 标志。

-z 显示使用次数为零的例程(按照调用计数和累积时间计算)。

一般用法: gprof b 二进制程序 gmon.out >report.txt

6报告说明

Gprof 产生的信息解释:

%time

Cumulative

seconds

Self 

Seconds

Calls

Self

TS/call

Total

TS/call

name
该函数消耗时间占程序所有时间百分比

程序的累积执行时间

(只是包括gprof能够监控到的函数)

该函数本身执行时间

所有被调用次数的合共时间

函数被调用次数

函数平均执行时间

(不包括被调用时间)

函数的单次执行时间

函数平均执行时间

(包括被调用时间)

函数的单次执行时间

函数名


7共享库的支持

对于代码剖析的支持是由编译器增加的,因此如果希望从共享库中获得剖析信息,就需要使用 -pg 来编译这些库提供已经启用代码剖析支持而编译的 C 库版本(libc_p.a)。

如果需要分析系统函数(如libc库),可以用 lc_p替换-lc。这样程序会链接libc_p.so或libc_p.a。这非常重要,因为只有这样才能监控到底层的c库函数的执行时间,(例如memcpy(),memset(),sprintf()等)。

gcc example1.c –pg -lc_p -o example1

注意要用ldd ./example | grep libc来查看程序链接的是libc.so还是libc_p.so

8用户时间与内核时间

gprof 的最大缺陷:它只能分析应用程序在运行过程中所消耗掉的用户时间,无法得到程序内核空间的运行时间。通常来说,应用程序在运行时既要花费一些时间来运行用户代码,也要花费一些时间来运行 “系统代码”,例如内核系统调用sleep()。

有一个方法可以查看应用程序的运行时间组成,在 time 命令下面执行程序。这个命令会显示一个应用程序的实际运行时间、用户空间运行时间、内核空间运行时间

如 time ./program

输出:

real    2m30.295s

user    0m0.000s

sys     0m0.004s

9注意事项

1. g++在编译和链接两个过程,都要使用-pg选项。

2. 只能使用静态连接libc库,否则在初始化*.so之前就调用profile代码会引起“segmentation fault”,解决办法是编译时加上-static-libgcc或-static。

3. 如果不用g++而使用ld直接链接程序,要加上链接文件/lib/gcrt0.o,如ld -o myprog /lib/gcrt0.o myprog.o utils.o -lc_p。也可能是gcrt1.o

4. 要监控到第三方库函数的执行时间,第三方库也必须是添加 pg 选项编译的。

5. gprof只能分析应用程序所消耗掉的用户时间.

6. 程序不能以demon方式运行。否则采集不到时间。(可采集到调用次数)

7. 首先使用 time 来运行程序从而判断 gprof 是否能产生有用信息是个好方法。

8. 如果 gprof 不适合您的剖析需要,那么还有其他一些工具可以克服 gprof 部分缺陷,包括 OProfile 和 Sysprof。

9. gprof对于代码大部分是用户空间的CPU密集型的程序用处明显。对于大部分时间运行在内核空间或者由于外部因素(例如操作系统的 I/O 子系统过载)而运行得非常慢的程序难以进行优化。

10. gprof 不支持多线程应用,多线程下只能采集主线程性能数据。原因是gprof采用ITIMER_PROF信号,在多线程内只有主线程才能响应该信号。但是有一个简单的方法可以解决这一问题:http://sam.zoy.org/writings/programming/gprof.html

11. gprof只能在程序正常结束退出之后才能生成报告(gmon.out)。

a) 原因: gprof通过在atexit()里注册了一个函数来产生结果信息,任何非正常退出都不会执行atexit()的动作,所以不会产生gmon.out文件。

b) 程序可从main函数中正常退出,或者通过系统调用exit()函数退出。


10多线程应用

gprof 不支持多线程应用,多线程下只能采集主线程性能数据。原因是gprof采用ITIMER_PROF信号,在多线程内只有主线程才能响应该信号。

采用什么方法才能够分析所有线程呢?关键是能够让各个线程都响应ITIMER_PROF信号。可以通过桩子函数来实现,重写pthread_create函数

//////////////////// gprof-helper.c////////////////////////////

#define _GNU_SOURCE

#include <sys/time.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <dlfcn.h>

#include <pthread.h>

static void * wrapper_routine(void *);

/* Original pthread function */

static int (*pthread_create_orig)(pthread_t *__restrict,

                                  __const pthread_attr_t *__restrict,

                                  void *(*)(void *),

                                  void *__restrict) = NULL;

/* Library initialization function */

void wooinit(void) __attribute__((constructor));

void wooinit(void)

{

    pthread_create_orig = dlsym(RTLD_NEXT, "pthread_create");

    fprintf(stderr, "pthreads: using profiling hooks for gprof/n");

    if(pthread_create_orig == NULL)

    {

        char *error = dlerror();

        if(error == NULL)

        {

            error = "pthread_create is NULL";

        }

        fprintf(stderr, "%s/n", error);

        exit(EXIT_FAILURE);

    }

}

/* Our data structure passed to the wrapper */

typedef struct wrapper_s

{

    void * (*start_routine)(void *);

    void * arg;

    pthread_mutex_t lock;

    pthread_cond_t  wait;

    struct itimerval itimer;

} wrapper_t;

/* The wrapper function in charge for setting the itimer value */

static void * wrapper_routine(void * data)

{

    /* Put user data in thread-local variables */

    void * (*start_routine)(void *) = ((wrapper_t*)data)->;start_routine;

    void * arg = ((wrapper_t*)data)->;arg;

    /* Set the profile timer value */

    setitimer(ITIMER_PROF, &((wrapper_t*)data)->;itimer, NULL);

    /* Tell the calling thread that we don't need its data anymore */

    pthread_mutex_lock(&((wrapper_t*)data)->;lock);

    pthread_cond_signal(&((wrapper_t*)data)->;wait);

    pthread_mutex_unlock(&((wrapper_t*)data)->;lock);

    /* Call the real function */

    return start_routine(arg);

}

/* Our wrapper function for the real pthread_create() */

int pthread_create(pthread_t *__restrict thread,

                   __const pthread_attr_t *__restrict attr,

                   void * (*start_routine)(void *),

                   void *__restrict arg)

{

    wrapper_t wrapper_data;

    int i_return;

    /* Initialize the wrapper structure */

    wrapper_data.start_routine = start_routine;

    wrapper_data.arg = arg;

    getitimer(ITIMER_PROF, &wrapper_data.itimer);

    pthread_cond_init(&wrapper_data.wait, NULL);

    pthread_mutex_init(&wrapper_data.lock, NULL);

    pthread_mutex_lock(&wrapper_data.lock);

    /* The real pthread_create call */

    i_return = pthread_create_orig(thread,

                                   attr,

                                   &wrapper_routine,

                                   &wrapper_data);

    /* If the thread was successfully spawned, wait for the data

     * to be released */

    if(i_return == 0)

    {

        pthread_cond_wait(&wrapper_data.wait, &wrapper_data.lock);

    }

    pthread_mutex_unlock(&wrapper_data.lock);

    pthread_mutex_destroy(&wrapper_data.lock);

    pthread_cond_destroy(&wrapper_data.wait);

    return i_return;

}

///////////////////

然后编译成动态库 gcc -shared -fPIC gprof-helper.c -o gprof-helper.so -lpthread -ldl 

使用例子:

/////////////////////a.c/////////////////////////////

#include <stdio.h>;

#include <stdlib.h>;

#include <unistd.h>;

#include <pthread.h>;

#include <string.h>;

void fun1();

void fun2();

void* fun(void * argv);

int main()

{

        int i =0;

        int id;

        pthread_t    thread[100];

        for(i =0 ;i< 100; i++)

        {

                id = pthread_create(&thread[i], NULL, fun, NULL);

                printf("thread =%d/n",i);

        }

        printf("dsfsd/n");

        return 0;

}

void*  fun(void * argv)

{

        fun1();

        fun2();

        return NULL;

}

void fun1()

{

        int i = 0;

        while(i<100)

        {

                i++;        

                printf("fun1/n");

        }        

}

void fun2()

{

        int i = 0;

        int b;

        while(i<50)

        {

                i++;

                printf("fun2/n");

                //b+=i;        

        }        

}

///////////////

gcc -pg a.c  gprof-helper.so

运行程序:

./a.out

分析gmon.out:

gprof -b a.out gmon.out


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