Linux 程序性能分析与优化

参考：https://linuxtools-rst.readthedocs.io/zh_CN/latest/advance/03_optimization.html

1. 分析系统瓶颈

2. 分析内存瓶颈

3. 分析IO瓶颈

4. 分析进程调用

5. 优化程序代码

gprof使用步骤

6. 其它工具

1. 分析系统瓶颈

系统响应变慢，首先得定位大致的问题出在哪里，是IO瓶颈、CPU瓶颈、内存瓶颈还是程序导致的系统问题；

使用top工具能够比较全面的查看我们关注的点:

[root@localhost spamassassin]# top
top - 10:33:14 up 7 days, 21:14,  4 users,  load average: 0.00, 0.00, 0.00
Tasks: 112 total,   1 running, 111 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
Cpu(s):  0.0%us,  0.0%sy,  0.0%ni, 99.7%id,  0.1%wa,  0.0%hi,  0.2%si,  0.0%st
Mem:   1034944k total,   909704k used,   125240k free,   440252k buffers
Swap:        0k total,        0k used,        0k free,   311284k cachedPID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S %CPU %MEM    TIME+  COMMAND                                              3624 root      20   0 20860 8924 6396 S  0.3  0.9  37:10.02 smbd                                                  1 root      15   0  2072  628  544 S  0.0  0.1   0:01.19 init                                                  2 root      RT  -5     0    0    0 S  0.0  0.0   0:21.85 migration/0                                           3 root      34  19     0    0    0 S  0.0  0.0   0:00.02 ksoftirqd/0                                           4 root      RT  -5     0    0    0 S  0.0  0.0   0:00.08 watchdog/0                                            5 root      RT  -5     0    0    0 S  0.0  0.0   0:20.81 migration/1                                           6 root      34  19     0    0    0 S  0.0  0.0   0:00.03 ksoftirqd/1                                           7 root      RT  -5     0    0    0 S  0.0  0.0   0:00.16 watchdog/1                                            8 root      RT  -5     0    0    0 S  0.0  0.0   0:22.15 migration/2                                           9 root      34  19     0    0    0 S  0.0  0.0   0:00.30 ksoftirqd/2                                           10 root      RT  -5     0    0    0 S  0.0  0.0   0:00.16 watchdog/2

进入交互模式后:

输入M，进程列表按内存使用大小降序排序，便于我们观察最大内存使用者使用有问题（检测内存泄漏问题）;
输入P，进程列表按CPU使用大小降序排序，便于我们观察最耗CPU资源的使用者是否有问题；

top第三行显示当前系统的，其中有两个值很关键:

%id：空闲CPU时间百分比，如果这个值过低，表明系统CPU存在瓶颈；
%wa：等待I/O的CPU时间百分比，如果这个值过高，表明IO存在瓶颈；

2. 分析内存瓶颈

查看内存是否存在瓶颈，使用top指令看比较麻烦，而free命令更为直观:

[/home/weber#]freetotal       used       free     shared    buffers     cached
Mem:        501820     452028      49792      37064       5056     136732
-/+ buffers/cache:     310240     191580
Swap:            0          0          0
[/home/weber#]top
top - 17:52:17 up 42 days,  7:10,  1 user,  load average: 0.02, 0.02, 0.05
Tasks:  80 total,   1 running,  79 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu(s):  0.0 us,  0.0 sy,  0.0 ni,100.0 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
KiB Mem:    501820 total,   452548 used,    49272 free,     5144 buffers
KiB Swap:        0 total,        0 used,        0 free.   136988 cached Mem

top工具显示了free工具的第一行所有信息，但真实可用的内存，还需要自己计算才知道; 系统实际可用的内存为free工具输出第二行的free+buffer+cached；也就是第三行的free值191580；关于free命令各个值的详情解读，请参考这篇文章 free 查询可用内存 ;

如果是因为缺少内存，系统响应变慢很明显，因为这使得系统不停的做换入换出的工作;

进一步的监视内存使用情况，可使用vmstat工具，实时动态监视操作系统的内存和虚拟内存的动态变化。参考： vmstat 监视内存使用情况 ;

3. 分析IO瓶颈

如果IO存在性能瓶颈，top工具中的%wa会偏高；

进一步分析使用iostat工具:

/root$iostat -d -x -k 1 1
Linux 2.6.32-279.el6.x86_64 (colin)   07/16/2014      _x86_64_        (4 CPU)Device:         rrqm/s   wrqm/s     r/s     w/s    rkB/s    wkB/s avgrq-sz avgqu-sz   await  svctm  %util
sda               0.02     7.25    0.04    1.90     0.74    35.47    37.15     0.04   19.13   5.58   1.09
dm-0              0.00     0.00    0.04    3.05     0.28    12.18     8.07     0.65  209.01   1.11   0.34
dm-1              0.00     0.00    0.02    5.82     0.46    23.26     8.13     0.43   74.33   1.30   0.76
dm-2              0.00     0.00    0.00    0.01     0.00     0.02     8.00     0.00    5.41   3.28   0.00

如果%iowait的值过高，表示硬盘存在I/O瓶颈。
如果 %util 接近 100%，说明产生的I/O请求太多，I/O系统已经满负荷，该磁盘可能存在瓶颈。
如果 svctm 比较接近 await，说明 I/O 几乎没有等待时间；
如果 await 远大于 svctm，说明I/O 队列太长，io响应太慢，则需要进行必要优化。
如果avgqu-sz比较大，也表示有大量io在等待。

更多参数说明请参考 iostat 监视I/O子系统 ;

4. 分析进程调用

通过top等工具发现系统性能问题是由某个进程导致的之后，接下来我们就需要分析这个进程；继续查询问题在哪；

这里我们有两个好用的工具： pstack和pstrace

pstack用来跟踪进程栈，这个命令在排查进程问题时非常有用，比如我们发现一个服务一直处于work状态（如假死状态，好似死循环），使用这个命令就能轻松定位问题所在；可以在一段时间内，多执行几次pstack，若发现代码栈总是停在同一个位置，那个位置就需要重点关注，很可能就是出问题的地方；

示例：查看bash程序进程栈:

/opt/app/tdev1$ps -fe| grep bash
tdev1   7013  7012  0 19:42 pts/1    00:00:00 -bash
tdev1  11402 11401  0 20:31 pts/2    00:00:00 -bash
tdev1  11474 11402  0 20:32 pts/2    00:00:00 grep bash
/opt/app/tdev1$pstack 7013
#0  0x00000039958c5620 in __read_nocancel () from /lib64/libc.so.6
#1  0x000000000047dafe in rl_getc ()
#2  0x000000000047def6 in rl_read_key ()
#3  0x000000000046d0f5 in readline_internal_char ()
#4  0x000000000046d4e5 in readline ()
#5  0x00000000004213cf in ?? ()
#6  0x000000000041d685 in ?? ()
#7  0x000000000041e89e in ?? ()
#8  0x00000000004218dc in yyparse ()
#9  0x000000000041b507 in parse_command ()
#10 0x000000000041b5c6 in read_command ()
#11 0x000000000041b74e in reader_loop ()
#12 0x000000000041b2aa in main ()

而strace用来跟踪进程中的系统调用；这个工具能够动态的跟踪进程执行时的系统调用和所接收的信号。是一个非常有效的检测、指导和调试工具。系统管理员可以通过该命令容易地解决程序问题。

参考： strace 跟踪进程中的系统调用 ;

5. 优化程序代码

优化自己开发的程序，建议采用以下准则:

二八法则：在任何一组东西中，最重要的只占其中一小部分，约20%，其余80%的尽管是多数，却是次要的；在优化实践中，我们将精力集中在优化那20%最耗时的代码上，整体性能将有显著的提升；这个很好理解。函数A虽然代码量大，但在一次正常执行流程中，只调用了一次。而另一个函数B代码量比A小很多，但被调用了1000次。显然，我们更应关注B的优化。
编完代码，再优化；编码的时候总是考虑最佳性能未必总是好的；在强调最佳性能的编码方式的同时，可能就损失了代码的可读性和开发效率；

gprof使用步骤

用gcc、g++、xlC编译程序时，使用-pg参数，如：g++ -pg -o test.exe test.cpp编译器会自动在目标代码中插入用于性能测试的代码片断，这些代码在程序运行时采集并记录函数的调用关系和调用次数，并记录函数自身执行时间和被调用函数的执行时间。
执行编译后的可执行程序，如：./test.exe。该步骤运行程序的时间会稍慢于正常编译的可执行程序的运行时间。程序运行结束后，会在程序所在路径下生成一个缺省文件名为gmon.out的文件，这个文件就是记录程序运行的性能、调用关系、调用次数等信息的数据文件。
使用gprof命令来分析记录程序运行信息的gmon.out文件，如：gprof test.exe gmon.out则可以在显示器上看到函数调用相关的统计、分析信息。上述信息也可以采用gprof test.exe gmon.out> gprofresult.txt重定向到文本文件以便于后续分析。

关于gprof的使用案例，请参考 [f1] ;

6. 其它工具

调试内存泄漏的工具valgrind，感兴趣的朋友可以google了解；

OProfile: Linux 平台上的一个功能强大的性能分析工具,使用参考 [f2] ;

除了上面介绍的工具，还有一些比较全面的性能分析工具，比如sar（Linux系统上默认不安装，需要手动安装下）；将sar的常驻监控工具打开后，能够收集比较全面的性能分析数据；

[f1]   C++的性能优化实践 http://www.cnblogs.com/me115/archive/2013/06/05/3117967.html
[f2]   用 OProfile 彻底了解性能 http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-oprof/
[f3]   Linux上的free命令详解 http://www.cnblogs.com/coldplayerest/archive/2010/02/20/1669949.html