linux 下性能分析工具 Gprof

2019-07-13 07:02发布

   这些天自己试着对项目作一些压力测试和性能优化,也对用过的测试工具作一些总结,并把相关的资料作一个汇总,以便以后信手拈来!  

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

l -b 不再输出统计图表中每个字段的详细描述。 l -p 只输出函数的调用图(Call graph的那部分信息)。 l -q 只输出函数的时间消耗列表。 l -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。 l -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。 l -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。 l -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。 l -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 Call Graph 的字段含义: Index %time Self Children Called Name 索引值 函数消耗时间占所有时间百分比 函数本身执行时间 执行子函数所用时间 被调用次数 函数名 注意: 程序的累积执行时间只是包括gprof能够监控到的函数。工作在内核态的函数和没有加-pg编译的第三方库函数是无法被gprof能够监控到的,(如sleep()等) Gprof 的具体参数可以 通过 man gprof 查询。

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  #include  #include  #include  #include  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 ; #include ; #include ; #include ; #include ; 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