一文略懂性能分析工具之 gprof

在軟件開發過程中，性能優化是非常重要的一環。再好的算法，如果資源佔用高，部署平臺用不起來，也是水中月，鏡中花。

程序開發過程中遇到的性能問題，比如 CPU 佔用高、內存泄漏等，需要使用性能分析工具來快速定位問題，定位問題能力也是工程能力的表現。

基於 Linux 系統，性能分析工具很多，涉及 CPU、內存、IO、網絡等。下圖是 Brendan Gregg 非常經典的性能分析工具圖，本系列文章根據實際開發經驗，介紹幾款常用的性能分析工具、基本用法和使用思路，拋磚引玉。

perf、valgrind、gprof 和 gperftools 四款工具是使用較多的性能分析工具，四種工具的簡單對比如下表，本文主要介紹 gprof 工具的使用。

peMAVo

01 基本工具的安裝

爲了工具安裝和分析數據可視化，需要如下幾款工具軟件。

1.autoconf、automake、libtool

GNU Autoconf 構建系統，開源軟件中經常會使用該構建系統管理編譯流程。如果下載的開源軟件包中有 configure.ac 和 Makefile.am 文件，說明該開源軟件可以使用 GNU Autoconf 構建系統編譯。基本指令如下：

autoreconf -i
./configure
make
make install

Linux 系統下安裝命令如下：

sudo apt-get install --assume-yes autoconf automake libtool

2.CMake

CMake 是一個跨平臺的安裝（編譯）工具，可以用簡單的語句來描述所有平臺的安裝 (編譯過程)。

Linux 系統下安裝命令如下：

sudo apt-get install --assume-yes cmake build-essential

3.kcachegrind

圖形化性能分析工具，支持 callgrind 格式的性能分析數據可視化顯示。

Linux 系統下安裝命令如下：

sudo apt-get install --assume-yes kcachegrind

4.graphviz

一個由 AT&T 實驗室啓動的開源工具包，用於繪製 DOT 語言腳本描述的圖形。使用該工具可以將性能分析工具轉換成 DOT 格式，進而轉換成圖形分析結果。

Linux 系統下安裝命令如下：

sudo apt-get install --assume-yes graphviz

5.ghostscript

一個用於 PostScript 語言和 PDF 文件的解釋器。ghostscript 由一個 PostScript 解釋器層和一個圖形庫組成。ghostscript 可以查看及打印 PS、EPS、PDF 文件，使用該工具可以將性能分析結果轉換成 pdf 文件。

Linux 系統下安裝命令如下：

sudo apt-get install --assume-yes ghostscript

02 gprof 介紹

gprof(GNU profiler) 是 GNU binutils 工具集中的自帶工具。如果使用 GCC 編譯器，可以使用它分析程序性能：函數調用時間、調用次數和調用關係，找出程序的瓶頸所在。

官方說明地址如下：

https://sourceware.org/binutils/docs/gprof/index.html

1.gprof 的功能

flat profile：分析每個函數的調用次數，每個函數花費的時間；
call graph：分析函數的調用關係，每個函數調用花費的時間；
annotated source：分析程序中每行代碼的執行次數；

2.gprof 的原理

通過在編譯和鏈接時使用 - pg 選項，gcc 在應用程序的每個函數中都加入了一個名爲 mcount (也可能是”_mcount” 或者”__mcount”, 依賴於編譯器或操作系統) 的函數。這樣應用程序裏的每一個函數都會調用 mcount, 而 mcount 會在內存中保存一張函數調用圖：記錄通過函數調用堆棧找到的子函數和父函數的地址，以及所有與函數相關的調用時間，調用次數等信息。

03 gprof 使用

在編譯程序的時候，需要添加 - pg 編譯選項；

典型的 GCC 編譯指令如下：

gcc -pg -o test test.c

如果使用 CMake，指令如下：

set(CMAKE_C_FLAGS "${CMAKE_C_FLAGS} -pg")
set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -pg")

正常執行編譯後的可執行程序，如果生成 gmon.out 文件，說明 gprof 正常運行；

該步驟運行程序的時間會稍慢於正常編譯的可執行程序的運行時間。程序運行結束後，會在程序所在路徑下生成一個缺省文件名爲 gmon.out 的文件。這個文件就是記錄程序運行的性能、調用關係、調用次數等信息的數據文件。
使用 gprof 命令來分析記錄程序運行信息的 gmon.out 文件；

基本命令形式如下：

gprof options [executable-file [profile-data-files…]] [> outfile]

options 可選的參數如下：

-b 不再輸出統計圖表中每個字段的詳細描述；
-p 只輸出函數的調用圖（call graph 信息）；
-q 只輸出函數的時間消耗列表；
-e Name 不輸出函數 Name 及其子函數的調用圖（除非它們有未被限制的其它父函數）。可以給定多個 - e 標誌，一個 - e 標誌只能指定一個函數；
-E Name 不輸出函數 Name 及其子函數的調用圖，此標誌類似於 - e 標誌，但它在總時間和百分比時間的計算中排除了由函數 Name 及其子函數所用的時間；
-f Name 輸出函數 Name 及其子函數的調用圖。可以指定多個 - f 標誌，一個 - f 標誌只能指定一個函數；
-F Name 輸出函數 Name 及其子函數的調用圖，它類似於 - f 標誌，但它在總時間和百分比時間計算中僅使用所打印的例程的時間。可以指定多個 - F 標誌。一個 - F 標誌只能指定一個函數。-F 標誌覆蓋 - E 標誌；

可以使用下面的命令，生成 TXT 數據分析報告，[] 中需要替換爲實際使用的內容。

gprof [bin] gmon.out > [name].txt

04 gprof 數據分析

1.TXT 數據分析報告

在生成的 TXT 分析數據中，總共有三張表。

第一張表：Flat Profile 每個函數的調用次數，每個函數花費的時間

第二張表：Call Graph 函數的調用關係，每個函數調用花費的時間

第三張表：Index by function name 函數與其在報告中序號的對應表

2. 數據可視化分析

如果只是單純的看 TXT 分析結果，對於一些大型程序還是不直觀，所以可以使用 gprof2dot.py 工具將 TXT 轉換成 DOT，然後再轉換成圖片。

gprof2dot.py 工具地址：

https://github.com/jrfonseca/gprof2dot.git

使用如下命令：

gprof2dot.py -n0 -e0 -s -w [name].txt > [name].dot
dot -Tpng [name].dot -o [name].png

其中 gprof2dot.py 命令中 “-n0”、“-e0” 修改顯示節點的閾值，默認是 0.5 和 0.1，這樣可以顯示全部的分析結果；“-s”、“-w”隱藏、摺疊函數參數等，可以優化顯示效果。

下面兩個圖分別是同一分析數據不加 “-n0 -e0 -s -w” 和添加之後的效果。

05 gprof 使用思路

1.gprof 的優勢

簡單易用。只需要在編譯和鏈接時增加 - pg 選項。gprof 對於代碼大部分是用戶空間的 CPU 密集型的應用程序用處明顯；
GNUBinutils 的組成部分，基本上任何 Linux 裏面都有。可以把生成的 gmon.out 拷貝到 host 上進行分析，省掉了一部分交叉編譯的工作量；

2.gprof 的劣勢：

只能監控到編譯和鏈接時有 - pg 選項的函數，工作在內核態的函數和沒有加 - pg 編譯的第三方庫函數無法被監控。因此 gprof 比較適合執行時間大部分在用戶態的應用；
不能監控 shared library，即. so 的文件；
不支持多線程應用，多線程下只能採集主線程性能數據。原因是在多線程內只有主線程才能響應 gprof 採用的 ITIMER_PROF 信號。下文的地址是解決該問題的一個方案，但是實際測試效果還是不理想。

http://sam.zoy.org/writings/programming/gprof.html

只能在程序正常結束退出，或者通過系統調用 exit() 退出之後才能生成報告（gmon.out）。原因是 gprof 通過在 atexit() 裏註冊了一個函數來產生結果信息，任何非正常退出都不會執行 atexit() 的動作，所以不會產生 gmon.out 文件；

3. 使用建議：

如果程序使用 GCC 編譯，並且是屬於 CPU 密集型程序，在實際環境中沒有其它更好的工具提供的時候，可以使用 gprof 分析程序，初步定位問題。如果有更多需求，可以關注後續文章 gperftools、perf、valgrind。

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/Bf2JyeIjNdJCUedaQfWWyQ

01 基本工具的安裝

02 gprof 介紹

03 gprof 使用

04 gprof 數據分析

05 gprof 使用思路

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