第13章 软件剖析和度量

第13章  软件剖析和度量

1，软件剖析的目标是找出程序执行时最消耗时间的代码段。
gprof介绍
gprof是一个GNU profiler工具。可以显示程序运行的“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，也可以显示“调用图”，包括函数的调用关系，每个函数调用花费了多少时间。还可

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。

基本用法：
1． 使用-pg选项编译和链接你的应用程序。
2． 执行你的应用程序，使之运行完成后生成供gprof分析的数据文件（默认是gmon.out）。
3． 使用gprof程序分析你的应用程序生成的数据，例如：gporf a.out gmon.out。

gprof 实现原理：
gprof并不神奇，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”）的函数，也就是说-pg编译的应用程序里的每

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。

1. 在内存中分配一些内存，存储程序执行期间的统计数据
2. 在GCC使用-pg选项编译后，gcc会在程序的入口处(main 函数之前)调用

void monstartup(lowpc, highpc)

在每个函数的入口处调用

void _mcount()

在程序退出时(在 atexit () 里)调用

void _mcleanup()

monstartup：负责初始化profile环境，分配内存空间
_mcount: 记录每个函数代码的caller和callee的位置
_mcleanup：清除profile环境，保存结果数据为gmon.out，供gprof分析结果
3．在_mcount函数中跟踪程序的执行状况，记录程序代码的执行次数，时间等数据。

常用的gprof命令选项：
-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）。

使用注意：
1） 一般gprof只能查看用户函数信息。如果想查看库函数的信息，需要在编译是再加入“-lc_p”编译参数

代替“-lc”编译参数，这样程序会链接libc_p.a库，才可以产生库函数的profiling信息。
2） gprof只能在程序正常结束退出之后才 能生成程序测评报告，原因是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。如果你的

程序是一个不会退出的服务程序，那就只有修改代码来达到目的。如果不想改变程序的运行方式，可以添加

一个信号处理函 数解决问题（这样对代码修改最少），例如：

static void sighandler( int sig_no )
{
exit(0);
}
signal( SIGUSR1, sighandler )；

当使用kill -USR1 pid 后，程序退出，生成gmon.out文件。

【命令】time — 执行命令并计时
【格式】time [-p] command [arguments...]
【说明】
执行命令行"command [arguments...]"，命令行执行结束时在标准输出中打印执行该命令行的时间统计结果

，其统计结果包含以下数据：
1)实际时间(real time): 从command命令行开始执行到运行终止的消逝时间；
2)用户CPU时间(user CPU time): 命令执行完成花费的用户CPU时间，即命令在用户态中执行时间总和；
3)系统CPU时间(system CPU time): 命令执行完成花费的系统CPU时间，即命令在核心态中执行时间总和。
其中，用户CPU时间和系统CPU时间之和为CPU时间，即命令占用CPU执行的时间总和。实际时间要大于CPU时间

，因为Linux是多任务操作系统，往往在执行一条命令时，系统还要处理其它任务。
另一个需要注意的问题是即使每次执行相同命令，但所花费的时间也是不一样，其花费时间是与系统运行相

关的。
例1：
1. # time date
2. Sun Mar 26 22:45:34 GMT-8 2006
3.
4. real 0m0.136s
5. user 0m0.010s
6. sys 0m0.070s
7. #
在例1中，执行命令"time date"(见第1行)。系统先执行命令"date"，第2行为命令"date"的执行结果。第3-6

行为执行命令"date"的时间统计结果，其中第4行"real"为实际时间，第5行"user"为用户CPU时间，第6

行"sys"为系统CPU时间。以上三种时间的显示格式均为MMmNN[.FFF]s。
在例1中，CPU时间 = 用户CPU时间 系统CPU时间 = 0m0.010s 0m0.070s = 0m0.080s，实际时间大于CPU时间

，说明在date命令运行的同时，还有其它任务在运行。
【参数说明】
-p 以POSIX缺省的时间格式打印时间统计结果，单位为秒。详细的输出格式见例2。
例2：
1. # time -p date
2. Wed Mar 27 00:33:11 GMT-8 2006
3. real 0.11
4. user 0.00
5. sys 0.02
6. #
在例2中，同样执行命令"time date"(见第1行)。系统先执行命令 "date"，第2行为该命令的执行结果。第3

-5行为执行命令"date"的时间统计结果。注意本例的时间格式与例1中的时间格式差别，使用-p 参数后的时

间显示格式为NN.FF，其单位为秒。