性能优化

性能优化通常分为两个阶段：性能分析、性能优化

• 性能分析：查找性能瓶颈、热点代码，分析引发性能问题的原因。
• 性能优化：基于性能分析，进行性能优化。包括：算法优化（空间复杂度和时间复杂度的权衡）和代码优化（提高执行速度、减少内存占用）。

perf 概述

perf 是 Linux 下的一款性能分析工具，可以用来分析程序中热点函数的 CPU 占用率，从而定位性能瓶颈。
perf 核心功能由 Performance counters（性能计数器） 子系统实现，它提供一个性能分析框架，比如硬件（CPU、PMU（Performance Monitoring Unit））功能和软件（软件计数器、tracepoint）功能。
通过 perf，应用程序可以利用 PMU、tracepoint 和内核中的计数器来进行性能统计。

perf 可以对程序进行函数级和指令级的采样，从而了解程序的性能瓶颈在哪里。
基本原理：在采样时间内，每隔一个固定采样周期，在 CPU 上产生一个中断，看当前是哪个进程、哪个函数在运行，然后就给对应的进程和函数加一个统计值，这样就可以估算出这段采样时间内，CPU 有多少时间花在某个进程和某个函数上。
perf 工具功能非常多，今天我们就来学习最常使用的两个命令：perf record 和 perf report。其中，一个用来统计，一个用来展示。

示例

使用下面这个示例程序，来学习 perf record/report 命令的使用。
perftest.c

#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>void for_loop()
{int i, j;int x;for (i = 0; i < 1000; i++) {for (j = 0; j < 10000; j++) {x = sin(i) + cos(j);}}
}void loop_samll()
{int i;for (i = 0; i < 10; i++) {for_loop();}
}void loop_big()
{int i;for (i = 0; i < 100; i++) {for_loop();}
}int main(int argc, char *argv[])
{printf("pid = %d\n", getpid());loop_big();loop_samll();return EXIT_SUCCESS;
}

$ gcc -o perftest.out perftest.c -lm
$ ./perftest.out 
pid = 826526

perf record

$ sudo perf record -p 826526 -a -g -F 99 -- sleep 10
Warning:
PID/TID switch overriding SYSTEM
[ perf record: Woken up 1 times to write data ]
[ perf record: Captured and wrote 0.082 MB perf.data (991 samples) ]

-p：分析指定进程
-a：对所有 CPU 进行采样
-g：启用调用追溯功能
-F：指定采样频率
-- sleep：采集时长
执行这个命令后，会在当前目录下产生一个 perf.data 文件，接下来就可以使用 perf report 命令来分析这份采样记录了。

perf report

$ sudo perf report

通过 perf report 命令可以展示采样记录，大概介绍下面板参数

• Samples：采样个数
• Event count：系统总共发生的事件数
• Symbol：函数名，其中 [.] 表示用户空间函数，[k] 表示内核函数
• Shared Objec：函数所在的共享库或所在的程序
• Command：进程名
• Self：该函数的 CPU 使用率
• Children：该函数的子函数的 CPU 使用率

那么，通过示例的展示面板，我们能得到的信息如下：

• 这次采样，是对 perftest.out 这个进程进行采样
• 总共采集到了 991 个事件（符合 -F 99 -- sleep 10，即，一秒钟采样 99 次，采样 10 秒钟）
• 第一行：__libc_start_main 函数，处于用户空间，处于共享库 libc-2.31.so 中，CPU 使用率为 0，其子函数的 CPU 使用率为 47.63%。（因为 __libc_start_main 只调用一次，实际使用 CPU 的都是其子函数）
• 第二行：main 函数同 __libc_start_main
• 第三行：loop_big 函数同 __libc_start_main
• 第四行：__sin_avx 函数，自身 CPU 使用率为 40.36%，子函数 CPU 使用率为 40.36%，说明其没有子函数。
• 第五行：__cos_avx 函数，CPU 使用率为 38.65%
• 第六行：for_loop 函数，CPU 使用率 20.99%

通过以上分析，可以知道 CPU 大部分时间都花在执行 sin() 和 cos() 这两个函数上，和示例代码吻合。

以上分析中，有些参数还没理解透彻，后面还会继续对 perf 工具进行学习，逐步增强吧。