Linux性能评测工具之一：gprof篇

た入场券 2022-09-22 13:55 198阅读 0赞

# 1 简介 #

改进应用程序的性能是一项非常耗时耗力的工作，但是究竟程序中是哪些函数消耗掉了大部分执行时间，这通常都不是非常明显的。GNU 编译器工具包所提供了一种剖析工具 GNU profiler（gprof）。gprof 可以为 Linux平台上的程序精确分析性能瓶颈。gprof精确地给出函数被调用的时间和次数，给出函数调用关系。

gprof 用户手册网站 [http://sourceware.org/binutils/docs-2.17/gprof/index.html][http_sourceware.org_binutils_docs-2.17_gprof_index.html]

# 2 功能 #

Gprof 是GNU gnu binutils工具之一，默认情况下linux系统当中都带有这个工具。

1. 可以显示“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，

2. 可以显示“Call graph”，包括函数的调用关系，每个函数调用花费了多少时间。

3. 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。

# 3 原理 #

通过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” , 依赖于编译器或操作系统)的函数，也就是说你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。

# 4 使用流程 #

1. 在编译和链接时 加上-pg选项。一般我们可以加在 makefile 中。
    2. 执行编译的二进制程序。执行参数和方式同以前。
    3. 在程序运行目录下 生成 gmon.out 文件。如果原来有gmon.out 文件，将会被重写。
    4. 结束进程。这时 gmon.out 会再次被刷新。
    5. 用 gprof 工具分析 gmon.out 文件

**5 参数说明**

#  #

l \-b 不再输出统计图表中每个字段的详细描述。

l \-p 只输出函数的调用图（Call graph的那部分信息）。

l \-q 只输出函数的时间消耗列表。

l \-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。

l \-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。

l \-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。

l \-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。

l \-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）。

一般用法： gprof –b 二进制程序 gmon.out >report.txt

# 6 报告说明 #

Gprof 产生的信息解释：

<table style="color:rgb(0,0,0); font-family:Arial; font-size:14px; line-height:26px; padding:0pt 5.4pt; border-collapse:collapse"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="padding:0pt 5.4pt; width:60.85pt; border:0.5pt solid rgb(0,0,0)"> &nbsp;&nbsp;%time </td> 
 <td style="border-right-color:rgb(0,0,0); border-width:0.5pt 0.5pt 0.5pt medium; border-style:solid solid solid none; padding:0pt 5.4pt; border-top-color:rgb(0,0,0); width:60.85pt; border-bottom-color:rgb(0,0,0)"> Cumulative seconds </td> 
 <td style="border-right-color:rgb(0,0,0); border-width:0.5pt 0.5pt 0.5pt medium; border-style:solid solid solid none; padding:0pt 5.4pt; border-top-color:rgb(0,0,0); width:60.85pt; border-bottom-color:rgb(0,0,0)"> Self&nbsp; Seconds </td> 
 <td style="border-right-color:rgb(0,0,0); border-width:0.5pt 0.5pt 0.5pt medium; border-style:solid solid solid none; padding:0pt 5.4pt; border-top-color:rgb(0,0,0); width:60.85pt; border-bottom-color:rgb(0,0,0)"> Calls </td> 
 <td style="border-right-color:rgb(0,0,0); border-width:0.5pt 0.5pt 0.5pt medium; border-style:solid solid solid none; padding:0pt 5.4pt; border-top-color:rgb(0,0,0); width:60.9pt; border-bottom-color:rgb(0,0,0)"> Self TS/call </td> 
 <td style="border-right-color:rgb(0,0,0); border-width:0.5pt 0.5pt 0.5pt medium; border-style:solid solid solid none; padding:0pt 5.4pt; border-top-color:rgb(0,0,0); width:60.9pt; border-bottom-color:rgb(0,0,0)"> Total TS/call </td> 
 <td style="border-right-color:rgb(0,0,0); border-width:0.5pt 0.5pt 0.5pt medium; border-style:solid solid solid none; padding:0pt 5.4pt; border-top-color:rgb(0,0,0); width:60.9pt; border-bottom-color:rgb(0,0,0)"> name </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-right-color:rgb(0,0,0); border-width:medium 0.5pt 0.5pt; border-style:none solid solid; padding:0pt 5.4pt; border-left-color:rgb(0,0,0); width:60.85pt; border-bottom-color:rgb(0,0,0)"> 该函数消耗时间占程序所有时间百分比 </td> 
 <td style="border-right-color:rgb(0,0,0); border-width:medium 0.5pt 0.5pt medium; border-style:none solid solid none; padding:0pt 5.4pt; width:60.85pt; border-bottom-color:rgb(0,0,0)"> 程序的累积执行时间 （只是包括gprof能够监控到的函数） </td> 
 <td style="border-right-color:rgb(0,0,0); border-width:medium 0.5pt 0.5pt medium; border-style:none solid solid none; padding:0pt 5.4pt; width:60.85pt; border-bottom-color:rgb(0,0,0)"> 该函数本身执行时间 （所有被调用次数的合共时间） </td> 
 <td style="border-right-color:rgb(0,0,0); border-width:medium 0.5pt 0.5pt medium; border-style:none solid solid none; padding:0pt 5.4pt; width:60.85pt; border-bottom-color:rgb(0,0,0)"> 函数被调用次数 </td> 
 <td style="border-right-color:rgb(0,0,0); border-width:medium 0.5pt 0.5pt medium; border-style:none solid solid none; padding:0pt 5.4pt; width:60.9pt; border-bottom-color:rgb(0,0,0)"> 函数平均执行时间 （不包括被调用时间） （函数的单次执行时间） </td> 
 <td style="border-right-color:rgb(0,0,0); border-width:medium 0.5pt 0.5pt medium; border-style:none solid solid none; padding:0pt 5.4pt; width:60.9pt; border-bottom-color:rgb(0,0,0)"> 函数平均执行时间 （包括被调用时间） （函数的单次执行时间） </td> 
 <td style="border-right-color:rgb(0,0,0); border-width:medium 0.5pt 0.5pt medium; border-style:none solid solid none; padding:0pt 5.4pt; width:60.9pt; border-bottom-color:rgb(0,0,0)"> 函数名 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

Call Graph 的字段含义：

注意：

程序的累积执行时间只是包括gprof能够监控到的函数。工作在内核态的函数和没有加-pg编译的第三方库函数是无法被gprof能够监控到的，（如sleep（）等）

Gprof 的具体参数可以 通过 man gprof 查询。

# 7 共享库的支持 #

对于代码剖析的支持是由编译器增加的，因此如果希望从共享库中获得剖析信息，就需要使用 -pg 来编译这些库。提供已经启用代码剖析支持而编译的 C 库版本（libc\_p.a）。

如果需要分析系统函数（如libc库），可以用 –lc\_p替换-lc。这样程序会链接libc\_p.so或libc\_p.a。这非常重要，因为只有这样才能监控到底层的c库函数的执行时间，（例如memcpy()，memset()，sprintf()等）。

gcc example1.c –pg \-lc\_p -o example1

注意要用ldd ./example | grep libc来查看程序链接的是libc.so还是libc\_p.so

# 8 用户时间与内核时间 #

gprof 的最大缺陷：它只能分析应用程序在运行过程中所消耗掉的用户时间，无法得到程序内核空间的运行时间。通常来说，应用程序在运行时既要花费一些时间来运行用户代码，也要花费一些时间来运行 “系统代码”，例如内核系统调用sleep()。

有一个方法可以查看应用程序的运行时间组成，在 time 命令下面执行程序。这个命令会显示一个应用程序的实际运行时间、用户空间运行时间、内核空间运行时间。

如 time ./program

输出：

real    2m30.295s

user    0m0.000s

sys     0m0.004s

# 9 注意事项 #

1. g++在编译和链接两个过程，都要使用-pg选项。

2. 只能使用静态连接libc库，否则在初始化\*.so之前就调用profile代码会引起“segmentation fault”，解决办法是编译时加上\-static-libgcc或-static。

3. 如果不用g++而使用ld直接链接程序，要加上链接文件/lib/gcrt0.o，如ld -o myprog /lib/gcrt0.o myprog.o utils.o -lc\_p。也可能是gcrt1.o

4. 要监控到第三方库函数的执行时间，第三方库也必须是添加 –pg 选项编译的。

5. gprof只能分析应用程序所消耗掉的用户时间.

6. 程序不能以demon方式运行。否则采集不到时间。（可采集到调用次数）

7. 首先使用 time 来运行程序从而判断 gprof 是否能产生有用信息是个好方法。

8. 如果 gprof 不适合您的剖析需要，那么还有其他一些工具可以克服 gprof 部分缺陷，包括 OProfile 和 Sysprof。

9. gprof对于代码大部分是用户空间的CPU密集型的程序用处明显。对于大部分时间运行在内核空间或者由于外部因素（例如操作系统的 I/O 子系统过载）而运行得非常慢的程序难以进行优化。

10. gprof 不支持多线程应用，多线程下只能采集主线程性能数据。原因是gprof采用ITIMER\_PROF信号，在多线程内只有主线程才能响应该信号。但是有一个简单的方法可以解决这一问题：[http://sam.zoy.org/writings/programming/gprof.html][http_sam.zoy.org_writings_programming_gprof.html]

11. gprof只能在程序正常结束退出之后才能生成报告（gmon.out）。

a) 原因： 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。

b) 程序可从main函数中正常退出，或者通过系统调用exit()函数退出。

# 10 多线程应用 #

gprof 不支持多线程应用，多线程下只能采集主线程性能数据。原因是gprof采用ITIMER\_PROF信号，在多线程内只有主线程才能响应该信号。

采用什么方法才能够分析所有线程呢？关键是能够让各个线程都响应ITIMER\_PROF信号。可以通过桩子函数来实现，重写pthread\_create函数。

gprof-helper.c

\#define \_GNU\_SOURCE

\#include <sys/time.h>

\#include <stdio.h>

\#include <stdlib.h>

\#include <dlfcn.h>

\#include <pthread.h>

static void \* wrapper\_routine(void \*);

/\* Original pthread function \*/

static int (\*pthread\_create\_orig)(pthread\_t \*\_\_restrict,

\_\_const pthread\_attr\_t \*\_\_restrict,

void \*(\*)(void \*),

void \*\_\_restrict) = NULL;

/\* Library initialization function \*/

void wooinit(void) \_\_attribute\_\_((constructor));

void wooinit(void)

pthread\_create\_orig = dlsym(RTLD\_NEXT, "pthread\_create");

fprintf(stderr, "pthreads: using profiling hooks for gprof/n");

if(pthread\_create\_orig == NULL)

char \*error = dlerror();

if(error == NULL)

error = "pthread\_create is NULL";

fprintf(stderr, "%s/n", error);

exit(EXIT\_FAILURE);

/\* Our data structure passed to the wrapper \*/

typedef struct wrapper\_s

void \* (\*start\_routine)(void \*);

void \* arg;

pthread\_mutex\_t lock;

pthread\_cond\_t  wait;

struct itimerval itimer;

\} wrapper\_t;

/\* The wrapper function in charge for setting the itimer value \*/

static void \* wrapper\_routine(void \* data)

/\* Put user data in thread-local variables \*/

void \* (\*start\_routine)(void \*) = ((wrapper\_t\*)data)->;start\_routine;

void \* arg = ((wrapper\_t\*)data)->;arg;

/\* Set the profile timer value \*/

setitimer(ITIMER\_PROF, &((wrapper\_t\*)data)->;itimer, NULL);

/\* Tell the calling thread that we don't need its data anymore \*/

pthread\_mutex\_lock(&((wrapper\_t\*)data)->;lock);

pthread\_cond\_signal(&((wrapper\_t\*)data)->;wait);

pthread\_mutex\_unlock(&((wrapper\_t\*)data)->;lock);

/\* Call the real function \*/

return start\_routine(arg);

/\* Our wrapper function for the real pthread\_create() \*/

int pthread\_create(pthread\_t \*\_\_restrict thread,

\_\_const pthread\_attr\_t \*\_\_restrict attr,

void \* (\*start\_routine)(void \*),

void \*\_\_restrict arg)

wrapper\_t wrapper\_data;

int i\_return;

/\* Initialize the wrapper structure \*/

wrapper\_data.start\_routine = start\_routine;

wrapper\_data.arg = arg;

getitimer(ITIMER\_PROF, &wrapper\_data.itimer);

pthread\_cond\_init(&wrapper\_data.wait, NULL);

pthread\_mutex\_init(&wrapper\_data.lock, NULL);

pthread\_mutex\_lock(&wrapper\_data.lock);

/\* The real pthread\_create call \*/

i\_return = pthread\_create\_orig(thread,

attr,

&wrapper\_routine,

&wrapper\_data);

/\* If the thread was successfully spawned, wait for the data

\* to be released \*/

if(i\_return == 0)

pthread\_cond\_wait(&wrapper\_data.wait, &wrapper\_data.lock);

pthread\_mutex\_unlock(&wrapper\_data.lock);

pthread\_mutex\_destroy(&wrapper\_data.lock);

pthread\_cond\_destroy(&wrapper\_data.wait);

return i\_return;

///

然后编译成动态库 gcc -shared -fPIC gprof-helper.c -o gprof-helper.so -lpthread -ldl

使用例子：

/a.c/

\#include <stdio.h>;

\#include <stdlib.h>;

\#include <unistd.h>;

\#include <pthread.h>;

\#include <string.h>;

void fun1();

void fun2();

void\* fun(void \* argv);

int main()

int i =0;

int id;

pthread\_t    thread\[100\];

for(i =0 ;i< 100; i++)

id = pthread\_create(&thread\[i\], NULL, fun, NULL);

printf("thread =%d/n",i);

printf("dsfsd/n");

return 0;

void\*  fun(void \* argv)

fun1();

fun2();

return NULL;

void fun1()

int i = 0;

while(i<100)

i++;

printf("fun1/n");

void fun2()

int i = 0;

int b;

while(i<50)

i++;

printf("fun2/n");

//b+=i;

///

gcc -pg a.c  gprof-helper.so

运行程序:

./a.out

分析gmon.out:

gprof -b a.out gmon.out

[http_sourceware.org_binutils_docs-2.17_gprof_index.html]: http://sourceware.org/binutils/docs-2.17/gprof/index.html
[http_sam.zoy.org_writings_programming_gprof.html]: http://sam.zoy.org/writings/programming/gprof.html