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 大家好，我是肖邦。

最近在使用 time 命令時，無意間發(fā)現(xiàn)了一些隱藏的小秘密和強大功能，今天分享給大家。

time 在 Linux 下是比較常用的命令，可以幫助我們方便的計算程序的運行時間，對比采用不同方案時程序的運行性能。看似簡單的命令，其實蘊藏著很多細(xì)節(jié)和技巧，來跟著肖邦一起學(xué)習(xí)吧。

1 基礎(chǔ)用法詳解

先來看下最基礎(chǔ)的用法，也可能是大家最常見的用法了 

root@chopin:~$ time find . -name "chopin.txt"  
......  
real   0m0.174s  
user   0m0.084s  
sys    0m0.084s 

可以很清楚看到，find 命令執(zhí)行的時間為 0.174s，是不是很簡單，很方便呢

不過，time 命令輸出了三個參數(shù)，我們只用到了第一個參數(shù)，其它兩個參數(shù)代表什么含義呢？

這里我來解釋一下：

•  real：表示的是墻上時間，說白了，其實就是從程序運行開始到結(jié)束所經(jīng)歷的時間；
•  user：表示程序運行期間，cpu 在用戶態(tài)所花費的時間；
•  sys：表示程序運行期間，cpu 在內(nèi)核態(tài)所花費的時間；

細(xì)心的讀者會發(fā)現(xiàn)，上述案例中的 user + sys 不等于 real，這是怎么回事呢？

其實上邊解釋的 user 和 sys，是 cpu 執(zhí)行指令所消耗的時間，并不包含：進(jìn)程阻塞 IO、調(diào)度排隊，這些非 cpu 運行時間。

案例中 find 執(zhí)行查找文件過程中，會有磁盤 IO 讀取，這時 cpu 會被釋放出來干別的事情，這些 IO 消耗的時間，是不包含在 user 和 sys 統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，所以就出現(xiàn)了 real 時間大于 user + sys 了。

再通過一個示例來驗證并加強我們的理解 

root@chopin:~$ time sleep 2  
real   0m2.001s  
user   0m0.000s  
sys    0m0.000s 

可以清楚地看到，sleep 命令基本上沒有消耗 cpu，程序真實的運行時間就是 2 秒

那我們是不是可以得出如下結(jié)論了呢:

real >= user + sys

其實這個結(jié)論在單個 cpu 情況下，是正確的。

如果服務(wù)器是多個 cpu，你的程序正好可以將多個 cpu 充分利用起來，程序運行期間是多核心并行的，那么 user + sys 統(tǒng)計的 cpu 時間可能就會大于 real 時間啦

所以這 3 個時間之間的關(guān)系并不是恒定的，你需要清楚的了解服務(wù)器是否為多個核心。

通過統(tǒng)計到的 cpu 消耗時間，我們也可以大概知道，程序運行期間 cpu 利用情況。對于單核，計算密集型的程序，real 會很接近 user 和 sys 時間之和的。

Tips：有些同學(xué)可能對操作系統(tǒng)可能不太熟悉，這里簡單科普下內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的基本概念

Linux 為使系統(tǒng)更穩(wěn)定，采取了隔離保護的措施，運行狀態(tài)分為內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)：

•  用戶態(tài)：用戶代碼不具備直接訪問底層資源的能力，需要借助內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用 API。在這種隔離保護下，即使用戶程序崩潰，也不會影響整個系統(tǒng)的功能。
•  內(nèi)核態(tài)：內(nèi)核代碼具備最大權(quán)限，可執(zhí)行任意 cpu 指令，不受任何限制。內(nèi)核態(tài)通常是操作系統(tǒng)提供的最底層、最可靠的代碼運行的，內(nèi)核態(tài)的代碼崩潰是災(zāi)難性的，影響整個系統(tǒng)的正常運行。

2 你運行的可能是假time

time 還有其它功能嗎？看一下幫助文檔吧 

root@chopin:~$ time --help  
--help: command not found  
real 0m0.129s  
user 0m0.084s  
sys 0m0.036s 

竟然報錯，將 --help 當(dāng)成了命令來執(zhí)行了，難道 time 就這么點能耐嗎？

好吧，我也不賣關(guān)子了，直接說答案：你運行的可能是假time。你可能有點懵逼，怎么就假的了。

其實在 Linux 系統(tǒng)上，使用 time 時，你可能會遇到三種版本： 

# 1. Bash  
time is a shell keyword  
# 2. Zsh  
time is a reserved word  
# 3. GNU time  
time is /usr/bin/time 

我們當(dāng)前 Shell 是 Bash，可以通過 type 命令 

root@chopin:~$ type time  
time is a shell keyword 

可以看到，我們剛才執(zhí)行的 time 是 Shell 的內(nèi)置命令，如果你用的是 zsh，默認(rèn)使用的 time 也是對應(yīng)內(nèi)置命令。

GNU time 命令路徑是 /usr/bin/time，一般的 Linux 發(fā)行版都帶有這個命令，它才是我們今天的豬腳。

3 更強大的功能

GNU time 命令提供了更強大的功能：

•  更詳細(xì)的統(tǒng)計信息
•  更豐富的格式輸出
•  支持保存統(tǒng)計數(shù)據(jù)到文件

下邊我們來學(xué)習(xí)寫 GNU time 的使用

1. 最簡單的用法 

root@chopin:~$ /usr/bin/time sleep 2  
0.00user 0.00system 0:02.00elapsed 0%CPU (0avgtext+0avgdata 1784maxresident)k  
0inputs+0outputs (0major+72minor)pagefaults 0swaps 

使用 GNU time 命令，直接使用絕對路徑即可，我們可以看到輸出信息更多了，不過格式有點丑，后邊會講如何自定義格式。

2. 保持內(nèi)置 time 的輸出樣式

有同學(xué)會問，能輸出內(nèi)置 Shell 那種的格式么？可以的，使用 -p 選項即可 

root@chopin:~$ /usr/bin/time -p sleep 2  
real 2.00  
user 0.00  
sys  0.00 

3. 輸出更詳細(xì)的信息

還可以輸出更加詳細(xì)的信息，讓你對程序運行信息一目了然。請使用 -v 選項 

root@chopin:~$ /usr/bin/time -v sleep 2  
Command being timed: "sleep 2"  
User time (seconds): 0.00  
System time (seconds): 0.00  
Percent of CPU this job got: 0%  
Elapsed (wall clock) time (h:mm:ss or m:ss): 0:02.00  
Average shared text size (kbytes): 0  
Average unshared data size (kbytes): 0  
Average stack size (kbytes): 0  
Average total size (kbytes): 0  
Maximum resident set size (kbytes): 1804  
Average resident set size (kbytes): 0  
Major (requiring I/O) page faults: 0  
Minor (reclaiming a frame) page faults: 71  
Voluntary context switches: 1  
Involuntary context switches: 1  
Swaps: 0  
File system inputs: 0  
File system outputs: 0  
Socket messages sent: 0  
Socket messages received: 0  
Signals delivered: 0  
Page size (bytes): 4096  
Exit status: 0 

這里詳細(xì)介紹下 time 命令輸出各項指標(biāo)

（一）時間相關(guān)

（二）內(nèi)存相關(guān)

（三）IO 相關(guān)

4. 統(tǒng)計信息輸出到文件

如果你希望將 time 統(tǒng)計的信息輸出到文件，可以使用 -o 選項

root@chopin:~$ /usr/bin/time -v -o a.txt sleep 2 

統(tǒng)計信息直接保存到了 a.txt，如果你希望統(tǒng)計信息能夠追加到文件，可以額外加 -a 選項

5. 自定義格式輸出

如果命令中內(nèi)置的輸出格式，不符合你的需求，GNU time 可以支持自定義輸出格式，通過選項 -f 可以各種指標(biāo)參數(shù) 

/usr/bin/time -f "real %e\nuser %U\nsys %S\n" sleep 1  
real 1.00  
user 0.00  
sys  0.00 

具體支持的格式，貼心的肖邦已經(jīng)幫你整理好了

這些格式參數(shù)太多了，平時大部分情況用不到，可以收藏起來，以便后期使用時可以快速參考。

4 在性能分析中的作用

看到這么多系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)，難免會有同學(xué)會感到疑惑，這些參數(shù)能干什么呀？

其實這些指標(biāo)，對應(yīng)到操作系統(tǒng) cpu、內(nèi)存、IO 這幾方面。深刻的理解了這些指標(biāo)參數(shù)，可以幫助你從本質(zhì)上把握程序的運行情況，甚至可以協(xié)助你分析程序的性能瓶頸。

下邊我簡單解釋幾個概念，希望能起到拋磚引玉的作用。

（一）CPU 時間

cpu 時間包括：real、user、sys，當(dāng) user + sys >= real 時，說明該程序是計算密集型；當(dāng) user + sys 遠(yuǎn)小于 real 時，說明存在較多的 IO 等待。

（二）上下文切換

平時所說的上下文，是指進(jìn)程的運行環(huán)境，包括當(dāng)時的寄存器值、內(nèi)存堆棧等信息，內(nèi)核可以根據(jù)上下文完全恢復(fù)一個被打斷的進(jìn)程任務(wù)。

當(dāng)執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用、進(jìn)程切換時，都會產(chǎn)生上下文切換。切換上下文時，操作系統(tǒng)需要為進(jìn)程保存和恢復(fù)上下文信息。

上下文切換分為主動和被動兩種，主動上下文切換多，說明存在較多的阻塞調(diào)用；被動上下文切換說明 cpu 使用率高。

當(dāng)上下文切換過多時，意味著較多的 cpu 時間花費在上下文切換上，導(dǎo)致 cpu 處理進(jìn)程任務(wù)的有效時間大大減少。

（三）缺頁異常

次缺頁異常較多，說明程序的內(nèi)存布局相對合理，命中率高；當(dāng)主缺頁異常較多時，說明程序?qū)?nèi)存的訪問跳躍性大，命中率低。

處理缺頁異常和切換上下文的時間，不包含在 user 和 sys 中，當(dāng)發(fā)現(xiàn) user + sys 遠(yuǎn)小于 real 時，則很可能大部分時間都消耗在這些地方，需要重點分析這兩點。