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本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「編程珠璣」，作者守望先生 。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系編程珠璣公眾號(hào)。  

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為了取得程序的一丁點(diǎn)性能提升而大幅度增加技術(shù)的復(fù)雜性和晦澀性能，這個(gè)買(mǎi)賣(mài)做不得，這不僅僅是因?yàn)閺?fù)雜的代碼容器滋生bug，也因?yàn)樗麜?huì)使日后的閱讀和維護(hù)工作要更加艱難。

為什么要性能優(yōu)化

也許是想要支持更高的吞吐量，想要更小的延遲，或者提高資源的利用率等，這些都是性能優(yōu)化的目標(biāo)之一。不過(guò)需要提醒的是，不要過(guò)早的進(jìn)行性能優(yōu)化。如果當(dāng)前并沒(méi)有任何性能問(wèn)題，又何必耗費(fèi)這個(gè)精力呢?當(dāng)前一些有助于提高性能的編碼習(xí)慣還是可以時(shí)刻保持的。

目標(biāo)

全面的性能優(yōu)化不是一件簡(jiǎn)單的事情。本系列文章不在于介紹性能優(yōu)化原理或者特定的算法優(yōu)化。旨在分享一些實(shí)踐中常用到的技巧，同時(shí)也主要關(guān)注CPU方面。

如何發(fā)現(xiàn)性能瓶頸

解決性能問(wèn)題的第一步是發(fā)現(xiàn)性能問(wèn)題。如何快速發(fā)現(xiàn)性能問(wèn)題呢?對(duì)于本文來(lái)說(shuō)，如何發(fā)現(xiàn)那些使CPU不停地瞎忙的代碼呢?為什么這里是說(shuō)讓CPU瞎忙的代碼?

舉個(gè)例子，完成某個(gè)事情，你可能只需要一個(gè)CPU時(shí)間片，但是由于代碼不夠好，使得仍然需要多個(gè)CPU時(shí)間片。導(dǎo)致CPU非常忙碌，而無(wú)法繼續(xù)提高它的效率。

top

這個(gè)命令相信大家都用過(guò)，可以實(shí)時(shí)看到進(jìn)程的一些狀態(tài)。它的使用方法有很多文章不厭其煩地對(duì)其進(jìn)行了介紹，本文不打算進(jìn)行介紹。我們可以通過(guò)top命令看到某個(gè)進(jìn)程占用的CPU，但是CPU占用高并不代表它有性能問(wèn)題，也有可能是CPU正在有效地高速運(yùn)轉(zhuǎn)，并沒(méi)有占著茅坑不拉屎。

快速發(fā)現(xiàn)

想必我們都聽(tīng)過(guò)八二法則，同樣的，80%的性能問(wèn)題集中于20%的代碼。因此我們只要找到這20%的部分代碼，就可以有效地解決一些性能問(wèn)題。

本文使用perf命令，它很強(qiáng)大，支持的參數(shù)也非常多，不過(guò)沒(méi)關(guān)系，本文也沒(méi)打算全部介紹。

系統(tǒng)中可能沒(méi)有perf命令，ubuntu可以使用如下方法安裝：

sudo apt install linux-tools-common 

實(shí)例

直接來(lái)看示例吧。例子很簡(jiǎn)單，只是將字符串的字母轉(zhuǎn)為大寫(xiě)罷了。當(dāng)然了，很多人可能一眼就看出了哪里有性能問(wèn)題，不過(guò)沒(méi)關(guān)系，這個(gè)例子只是為了說(shuō)明perf的應(yīng)用。

//來(lái)源：公眾號(hào)【編程珠璣】 
//作者：守望先生 
//toUpper.c 
#include<stdlib.h> 
#include<stdio.h> 
#include<time.h> 
#include<ctype.h> 
#include<string.h> 
#include<sys/time.h> 
#define MAX_LEN  1024*1024 
void printCostTime(struct timeval *start,struct timeval *end) 
{ 
    if(NULL == start || NULL == end) 
    { 
        return; 
    } 
    long cost = (end->tv_sec - start->tv_sec) * 1000 + (end->tv_usec - start->tv_usec)/1000; 
    printf("cost time: %ld ms\n",cost); 
} 
int main(void) 
{ 
    srand(time(NULL)); 
    int min = 'a'; 
    int max = 'z'; 
    char *str = malloc(MAX_LEN); 
    //申請(qǐng)失敗則退出 
    if(NULL == str) 
    { 
        printf("failed\n"); 
        return -1; 
    } 
    unsigned int i = 0; 
    while(i < MAX_LEN)//生成隨機(jī)數(shù) 
    { 
        str[i] = ( rand() % ( max - min ) ) + min; 
        i++; 
    } 
    str[MAX_LEN - 1] = 0;  
    struct timeval start,end; 
    gettimeofday(&start,NULL); 
    for(i = 0;i < strlen(str) ;i++) 
    { 
        str[i]  = toupper( str[i] ); 
    } 
    gettimeofday(&end,NULL); 
    printCostTime(&start,&end); 
    free(str); 
    str = NULL; 
    return 0; 
} 

編譯成可執(zhí)行程序并運(yùn)行：

$ gcc -o toUpper toUpper.c 
$ ./toUpper 

這個(gè)時(shí)候我們用top查看結(jié)果發(fā)現(xiàn)toUpper程序占用CPU 100%：

$ top -p `pidof toUpper` 
  PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND      
24456 root       20   0    5248   2044    952 R 100.0  0.0   0:07.13 toUpper   

打開(kāi)另外一個(gè)終端，執(zhí)行命令：

$ perf top -p `pidof toUpper` 
Samples: 1K of event 'cycles:ppp', Event count (approx.): 657599945 
Overhead  Shared Object  Symbol 
  99.13%  libc-2.23.so   [.] strlen 
   0.19%  [kernel]       [k] perf_event_task_tick 
   0.11%  [kernel]       [k] prepare_exit_to_usermode 
   0.10%  libc-2.23.so   [.] toupper 
   0.09%  [kernel]       [k] rcu_check_callbacks 
   0.09%  [kernel]       [k] reweight_entity 
   0.09%  [kernel]       [k] task_tick_fair 
   0.09%  [kernel]       [k] native_write_msr 
   0.09%  [kernel]       [k] trigger_load_balance 
   0.00%  [kernel]       [k] native_apic_mem_write 
   0.00%  [kernel]       [k] __perf_event_enable 
   0.00%  [kernel]       [k] intel_bts_enable_local 

其中pidof命令用于獲取指定程序名的進(jìn)程ID。

看到結(jié)果了嗎?可以很清楚地看到，strlen函數(shù)占用了整個(gè)程序99%的CPU，那這個(gè)CPU的占用是否可以優(yōu)化掉呢?我們現(xiàn)在都清楚，顯然是可以的，在對(duì)每一個(gè)字符串進(jìn)行大寫(xiě)轉(zhuǎn)換時(shí)，都進(jìn)行了字符串長(zhǎng)度的計(jì)算，顯然是沒(méi)有必要，可以拿到循環(huán)之外的。

同時(shí)我們也關(guān)注到，這里面有很多符號(hào)可能完全沒(méi)見(jiàn)過(guò)，不知道什么含義了，比例如reweight_entity，不過(guò)我們知道它前面有著kernel字樣，因此也就明白，這是內(nèi)核干的事情，僅此而已。

這里實(shí)時(shí)查看的方法，當(dāng)然你也可以保存信息進(jìn)行查看。

$ perf record -e cycles -p `pidof toUpper` -g -a 

執(zhí)行上面的命令一段時(shí)間，用于采集相關(guān)性能和符號(hào)信息，隨后ctrl+c中止。默認(rèn)當(dāng)前目錄下生成perf.data，不過(guò)這里面的數(shù)據(jù)不易閱讀，因此執(zhí)行：

$ perf report 
+  100.00%     0.00%  toUpper  [unknown]          [k] 0x03ee258d4c544155 
+  100.00%     0.00%  toUpper  libc-2.23.so       [.] __libc_start_main 
+   99.72%    99.34%  toUpper  libc-2.23.so       [.] strlen 
     0.21%     0.02%  toUpper  [kernel.kallsyms]  [k] apic_timer_interrupt 
     0.19%     0.00%  toUpper  [kernel.kallsyms]  [k] smp_apic_timer_interrupt 
     0.16%     0.00%  toUpper  [kernel.kallsyms]  [k] ret_from_intr 
     0.16%     0.00%  toUpper  [kernel.kallsyms]  [k] hrtimer_interrupt 
     0.16%     0.00%  toUpper  [kernel.kallsyms]  [k] do_IRQ 
     0.15%     0.15%  toUpper  libc-2.23.so       [.] toupper 
     0.15%     0.00%  toUpper  [kernel.kallsyms]  [k] handle_irq 
     0.15%     0.00%  toUpper  [kernel.kallsyms]  [k] handle_edge_irq 
     0.15%     0.00%  toUpper  [kernel.kallsyms]  [k] handle_irq_event 
     0.15%     0.00%  toUpper  [kernel.kallsyms]  [k] handle_irq_event_percpu 
     0.14%     0.00%  toUpper  [kernel.kallsyms]  [k] __handle_irq_event_percpu 
     0.14%     0.01%  toUpper  [kernel.kallsyms]  [k] __hrtimer_run_queues 
     0.13%     0.00%  toUpper  [kernel.kallsyms]  [k] _rtl_pci_interrupt 

其中-g參數(shù)為了保存調(diào)用調(diào)用鏈，-a表示保存所有CPU信息。

因此就可以看到采樣信息了，怎么樣是不是很明顯，其中的+部分還可以展開(kāi)，看到調(diào)用鏈。

例如展開(kāi)的部分信息如下：

-  100.00%     0.00%  toUpper  libc-2.23.so       [.] __libc_start_main         
   - __libc_start_main                                                          
        99.72% strlen   

當(dāng)然了，實(shí)際上你也可以將結(jié)果重定向到另外一個(gè)文件，便于查看：

$ perf report > result 
$ more result 
# Event count (approx.): 23881569776 
# 
# Children      Self  Command  Shared Object      Symbol                         
 
# ........  ........  .......  .................  .............................. 
................... 
# 
   100.00%     0.00%  toUpper  [unknown]          [k] 0x03ee258d4c544155 
            | 
            ---0x3ee258d4c544155 
               __libc_start_main 
               |           
                --99.72%--strlen 
 
   100.00%     0.00%  toUpper  libc-2.23.so       [.] __libc_start_main 
            | 
            ---__libc_start_main 
               |           
                --99.72%--strlen 
 
    99.72%    99.34%  toUpper  libc-2.23.so       [.] strlen 
            |           
             --99.34%--0x3ee258d4c544155 

這樣看也是非常清晰的。

不過(guò)不要高興地太早，并不是所有情況都能清晰的看到具體問(wèn)題在哪里的。

至于本文例子的性能問(wèn)題怎么解決，相信你已經(jīng)很清楚了，只需要把strlen提到循環(huán)外即可，這里不再贅述。

總結(jié)

本文的例子過(guò)于簡(jiǎn)單粗暴，但是足夠說(shuō)明perf的使用，快速發(fā)現(xiàn)程序中占用CPU較高的部分，至于該部分能否被優(yōu)化，是否正常就需要進(jìn)一步分析了。不過(guò)別急，后續(xù)將會(huì)分享一些常見(jiàn)的可優(yōu)化的性能點(diǎn)。

作者:守望，linux應(yīng)用開(kāi)發(fā)者，目前在公眾號(hào)【編程珠璣】 分享Linux/C/C++/數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法/工具等原創(chuàng)技術(shù)文章和學(xué)習(xí)資源。