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使用 GNU profiler 来提高代码运行速度

作者：来源：发表时间：2006-05-17 浏览次数：字号：大 中 小

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共享库的支持

正如在前面曾经介绍的，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（包括 C 库 libc.a）中获得剖析信息，就需要使用 -pg 来编译这些库。幸运的是，很多发行版都提供了已经启用代码剖析支持而编译的 C 库版本（libc_p.a）。

在我使用的发行版 gentoo 中，需要将 “profile” 添加到 USE 标志中，并重新执行 emerge glibc。当这个过程完成之后，就会看到 /usr/lib/libc_p.a 文件已经创建好了。对于没有按照标准提供 libc_p 的发行版本来说，需要检查它是否可以单独安装，或者可能需要自己下载 glibc 的源代码并进行编译。

在获得 libc_p.a 文件之后，就可以简单地重新编译前面的例子了，方法如下：

gcc example1.c -g -pg -o example1 -O2 -lc_p

然后，可以像以前一样运行这个应用程序，并获得 flat profile 或 call graph，应该会看到很多 C 运行函数，包括 printf（这些函数在我们的测试函数中并不是太重要）。

用户时间与内核时间

现在我们已经知道如何使用 gprof 了，接下来可以简单且有效地对应用程序进行分析了，希望可以消除性能瓶颈。

不过现在您可能已经注意到了 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。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。

如果对清单 1 稍加修改，就可以清楚地看出这个问题：

清单 5. 为清单 1 添加系统调用分析功能


#include <stdio.h>

int a(void) {
  sleep(1);
  return 0;
}
int b(void) {
  sleep(4);
  return 0;
}

int main(int argc, char** argv)
{
   int iterations;

   if(argc != 2)
   {
      printf("Usage %s <No of Iterations>\n", argv[0]);
      exit(-1);
   }
   else
      iterations = atoi(argv[1]);

   printf("No of iterations = %d\n", iterations);

   while(iterations--)
   {
      a();
      b();
   }
}

正如您可以看到的，我们对清单 1 中的代码进行了修改，现在 a 函数和 b 函数不再只处理繁忙的循环了，而是分别调用 C 运行时函数 sleep 来挂起执行 1 秒和 4 秒。

像以前一样编译这个应用程序：

gcc example2.c -g -pg -o example2 -O2 -lc_p

并让这个程序循环 30 次：

./example2 30

所生成的 flat profile 如下所示：

清单 6. flat profile 显示了系统调用的结果


Flat profile:

Each sample counts as 0.01 seconds.
 no time accumulated

  %   cumulative   self              self     total
 time   seconds   seconds    calls  Ts/call  Ts/call  name
  0.00      0.00     0.00      120     0.00     0.00  sigprocmask
  0.00      0.00     0.00       61     0.00     0.00  __libc_sigaction
  0.00      0.00     0.00       61     0.00     0.00  sigaction
  0.00      0.00     0.00       60     0.00     0.00  nanosleep
  0.00      0.00     0.00       60     0.00     0.00  sleep
  0.00      0.00     0.00       30     0.00     0.00  a
  0.00      0.00     0.00       30     0.00     0.00  b
  0.00      0.00     0.00       21     0.00     0.00  _IO_file_overflow
  0.00      0.00     0.00        3     0.00     0.00  _IO_new_file_xsputn
  0.00      0.00     0.00        2     0.00     0.00  _IO_new_do_write
  0.00      0.00     0.00        2     0.00     0.00  __find_specmb
  0.00      0.00     0.00        2     0.00     0.00  __guard_setup
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  _IO_default_xsputn
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  _IO_doallocbuf
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  _IO_file_doallocate
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  _IO_file_stat
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  _IO_file_write
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  _IO_setb
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  ____strtol_l_internal
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  ___fxstat64
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  __cxa_atexit
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  __errno_location
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  __new_exitfn
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  __strtol_internal
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  _itoa_word
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  _mcleanup
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  atexit
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  atoi
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  exit
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  flockfile
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  funlockfile
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  main
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  mmap
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  moncontrol
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  new_do_write
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  printf
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  setitimer
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  vfprintf
  0.00      0.00     0.00        1     0.00     0.00  write

如果对这个输出结果进行分析，我们就会看到，尽管 profiler 已经记录了每个函数被调用的确切次数，但是为这些函数记录的时间（实际上是所有函数）都是 0.00。这是因为 sleep 函数实际上是执行了一次对内核空间的调用，从而将应用程序的执行挂起了，然后有效地暂停执行，并等待内核再次将其唤醒。由于花在用户空间执行的时间与花在内核中睡眠的时间相比非常小，因此就被取整成零了。其原因是 gprof 仅仅是通过以固定的周期对程序运行时间 进行采样测量来工作的。因此，当程序不运行时，就不会对程序进行采样测量。

这实际上是一把双刃剑。从一个方面来说，这使得有些程序非常难以进行优化，例如花费大部分时间在内核空间的程序，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。从另一个方面来说，这意味着剖析不会受到系统中其他事件的影响（例如另外一个用户使用了大量的 CPU 时间）。

通常，有一个很好的基准测试可以用来查看 gprof 对于帮助对应用程序进行优化是多么有用，方法是在 time 命令下面执行它。这个命令会显示一个应用程序运行完成需要多少时间，并可以测量它在用户空间和内核空间各花费了多少时间。

如果查看一下清单 2 中的例子：

time ./example2 30

输出结果应该如下所示：

清单 7. time 命令的输出结果


No of iterations = 30

real    2m30.295s
user    0m0.000s
sys     0m0.004s

我们可以看出几乎没有多少时间被花费在执行用户空间的代码上，因此 gprof 在此处不会非常有用。

结束语

尽管 gprof 存在上面的限制，但是它对于优化代码来说依然是个非常有用的工具，如果您的代码大部分是用户空间 CPU 密集型的，它的用处就更加明显。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主意。

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 （请参看参考资料中有关这些工具信息的链接）。

从另一个方面来说，假设我们已经安装了 gcc，gprof 相对于其他工具来说，一个主要的优点是很可能早已在 Linux 机器上安装了需要使用的工具。

参考资料

学习

您可以参阅本文在 developerWorks 全球站点上的英文原文。
有关使用 gprof 的更多信息，请参阅 GNU profiler 手册。
在 “使用 OProfile for Linux on POWER 识别性能瓶颈”（developerWorks，2005 年 5 月）和 “用 OProfile 彻底了解性能”（developerWorks，2003 年 10 月）中学习更多有关 OProfile 的知识。
请访问 OProfile 主页。
请阅读更多有关 System-wide Linux profiler (Sysprof) 的内容。
在 developerWorks Linux 专区中可以找到为 Linux 开发人员准备的更多参考资料。
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关于作者


		Martyn Honeyford 1996 年毕业于诺丁汉大学，获计算机科学学士学位。从那时起，他就成为位于英格兰 Hursley 的 IBM 英国实验室的一名软件工程师。他目前的职务是 WebSphere MQ Everyplace 开发团队中的一名开发人员。在不工作的时候，他经常弹电吉他（弹得很差）或者疯狂地玩电子游戏。可以通过 martynh@uk.ibm.com 与 Martyn 联系。

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