介绍一个对陌生程序快速进行性能瓶颈分析的技巧

　　

前言

         工作多年，一直做的是curd系统。前几年做的系统应用场景，大多对数据库依赖比较重。例如报表统计，数据迁移，批量对账等。所以这些系统出现性能瓶颈一般出在数据库操作上面。

         如果程序因为数据库操作出现性能瓶颈是比较好办的，因为oracle提供了完善的性能分析工具。往往使用awr报告简单分析一下（top sql和top event）就可以获知有哪些sql有异常。

         找出问题sql，根据经验进行优化即可，例如没索引的加索引，有索引没走的加hint，IO太慢的话加并行之类。之前我整理过的一些数据库sql优化经验在博客里面发过。

 

 

 

 

 

 

         更多关于数据库应用优化的知识见这里:https://www.cnblogs.com/kingstarer/p/9613626.html

 

         但今年做的系统，有时也会出现数据库资源充足，但由于程序自身写得不好，导致cpu消耗太高，系统反应缓慢的情况。

         这种如果是自己写的程序相对比较好处理，因为写的时候大概会知道哪些地方容易出问题。

         但有时也会有接手别人的程序出现问题需要优化的情况，这种以前我是都需要花时间重新看一下他们的源码，然后结合日志分析问题出哪里，效率相对比较低。

         不过最近我发现一个工具，能直观地统计出程序资源消耗，对于优化帮助特别大。今年我有几次对项目组的程序做优化，都是先用它发现问题关键，然后再进行优化的。

这种方式比以前凭经验分析好，因为有时自己觉得有问题的代码，优化后发现效果甚微。（代码使用频率低，或者瓶颈出现在其它地方。）例如今年我曾经把系统取环境变量的代码，从原来直接使用getenv，改为从缓存里面取数（getenv是顺序查找，缓存取是自己写的二分查找），但发现对于系统整体性能提高不到1%。

         下面以一次项目组优化的过程为例，给大家介绍一下这个工具----callgrind的用法：

 

概述

         callgrind是vallgrind工具家族中的一员，它相比其它性能测试工具的好处是不需要修改源码、编译选项（推荐加-g，但不是必要的）、系统参数等。但也存在缺点，如分析过程中程序性能下降较大，无法对已启动的进程进行性能分析，无法分析函数实际耗时（分析的是消耗cpu时间，如果存在sleep、wait之类函数会影响分析结果），对递归调用展示不友好等。不过好在我们项目中，这些缺点不太影响我们使用。

         callgrind分析完程序后会使用Ir（指令执行的次数）来统计程序中函数调用消耗，同时还会建立函数调用关系图，需要分析程序流程时可以参考。同时callgrind还能分析程序缓存使用情况，帮助我们优化if和switch顺序。还有分析锁顺序等其它功能。

每次运行结束时，它会把分析数据写入一个文件，之后我们可以通过callgrind_annotate或kcachegrind读取分析结果展示成可读的报告。

         接下来我介绍callgrind的使用心得。

背景

rcc查询业务由于业务量增长，现在部署了查询的三台机器平时cpu负荷接近50%，在交易量偏大时cpu会增涨到100%。

项目组临时投入新 机器资源将cpu消耗控制到25~50%，以减少系统性能告警。但后续仍需对应用进行优化，以防故障再次发生。

问题还原与分析

在测试环境上经过一番配置，还原了系统故障现象。仔细观察可以发现：

在并发数比较低时，系统cpu消耗较低，但并发数高一些时，系统cpu消耗急剧上涨，很快就到达100%，但此时tps基本不变。

并发数	cpu使用率	tps
6	约60%	73
12	约100%	68

观察top和vmstat信息，发现两个异常：

1 vmstat显示user消耗超过90%，而sys只占不到10%。对于非计算密集应用，这个比例有点高

 

2 top显示系统消耗cpu最多的进程并非业务服务进程，而是加解密相关的服务进程

 

图示：QueryBridgeSrv和QuerySecSrv消耗了比较多的cpu资源。而Query核心业务进程反而消耗得不是很多。（从下到上cpu消耗逐渐下降）

 

业务服务代码经常修改，项目组开发人员比较熟悉，通过日志即可迅速定位问题出在哪。但是报文较验转换服务由于修改的比较少，比较难定位问题，所以决定使用callgrind辅助分析。

callgrind一般用法

对于一般的程序，我们可以直接启动callgrind分析程序，只需要在命令行前面加上"valgrind --tool=callgrind "，如下：

 

 

等程序运行完退出后会在目录生成分析文件，命名为callgrind.out.进程号文件，我们可以使用callgrind_annotate在命令行界面上对其进行分析，但一般是拿到windows环境下使用kcachegrind分析。

 

 

callgrind在项目中的用法

由于项目中的程序是以服务形式启动的，不会自然退出，所以需要使用另外的方法收集分析结果文件。

 

单进程程序QueryBridgeSrv分析方法：

         由于QueryBridgeSrv服务是单进程程序，所以只需要直接启动即可。

 

         不过由于我们项目把很多程序启动参数放在环境变量，不设置的话启动会出异常。所以启动前需要设置环境变量，可以使用以下脚本获取QueryBridgeSrv程序环境变量

 

        

         执行脚本后即可获取设置环境变量语句，执行后即可正常启动

         time valgrind --tool=callgrind --callgrind-out-file="callgrind.bridge_1305_%p.out"  QueryBridgeSrv 1305 17 2001 2002 # callgrind-out-file选项是指定生成的分析文件名字 更多选项可参考man valgrind

        

进程启动后我们就可以开始执行正常的测试用例，让callgrind分析程序运行情况。等运行得差不多了，我们可以在其它会话窗口执行callgrind_control命令将收集的信息文件输出。

callgrind_control选项也不少，一般我们会使用到以下两个选项：

 

callgrind_control -d # dump出目前收集的信息

callgrind_control -k # 停止callgrind（不会输出收集文件 所以先要dump）

 

 

多进程程序QuerySecSrv分析方法：

         对于多进程程序，最好由项目的Daemon进程启动。所以我们可以设计一个启动脚本放到bin目录下面：

        

         然后修改tbl_srv_param参数，将启动程序名字由QuerySecSrv改为QuerySecSrv.sh

         这样Daemon就会启动QuerySecSrv.sh，然后由QuerySecSrv.sh启动callgrind对QuerySecSrv进行分析。

         进程启动后获取分析结果文件方法与QueryBridgeSrv一致。

kcachegrind介绍

         对于生成的文件，我们可以使用kcachegrind进行分析：使用kcachegrind打开之前我们分析QueryBridgeSrv的结果文件（文件一定要以"callgrind."开头），显示如下：

 

         左上角的Flat Profile窗格，第一列是函数消耗的总资源（包括函数本身开销和函数内部调用的子函数开销之和），第二列是函数本身的开销。

         可以想象，main函数一般是系统中总开销最大的，因为大部分函数是由main函数调用的。但是main函数自身消耗可能不多，大部分指令是它调用的其它函数消耗的。

         右上角的窗格（后面称callers窗格），我们一般用来显示该函数被调用的信息(callers)，如图，可以看出GenCtx函数只有一个调用者GenSecHead。

         右下角窗口（后面称callees窗格），我们一般用来显示该函数调用其它函数信息(callees)，如图，可以看出GenCtx函数调用了好多个函数及分别消耗的指令数。

         因为我们一般不关心函数实际开销，而是关心函数相对开销，所以kcachegrind提供了两个按钮，把开销显示成百分比。

         （百分号控制的是Flat Profile窗口显示方式，十字箭头控制的是Callers和Callees窗格）

   

         按百分比显示后我们可以清楚地看出memset函数占用了程序开销的73%，而且消耗在其自身。(Self)

 　　

         对于一般应用，memset函数是没有优化空间的，所以我们要观察是哪些函数调用了memset这么多次。

         在Flat Profile窗口单击memset函数，可以看到调用memset函数的信息

 　　

         从上图我们可以看出20%的memset调用消耗是由于GenCtx引起的，我们先看看这个函数。在Callers窗格双击，可以进到GenCtx函数的分析（分析过程可以使用工具栏的导航按钮前后跳转）

        

         可以看到GenCtx函数50%的消耗在于memset，我们可以到对应函数看有没有调用必要。

         在Flat Profile窗格下拉列表选择source file就可以看到函数所在源文件。由于windows环境下代码路径问题，无法在kcachegrind直接查看代码信息，只能另外打开vs查看代码。（根据网上介绍，使用callgrind_annotate可以直接看到每行代码消耗指令数，对于分析长函数帮助很大，暂时未在项目中实践）

 

在源码里面我们发现几处memset调用，作用是把某大块内存（395k）初始化为零。经分析，这几处地方并不是特别需要调用memset。应是当时写代码时使用防御性编程技巧，宁杀错，不放过，统一清零。当这个函数只调用一次时，这些操作对系统性能消耗不算多。但当业务量比较大，函数调用次数较多时，这种初始化操作会给系统带来较大性能消耗。

把初始化代码代码注释了（如下），重新编译程序，验证发现功能不受影响。

        

这里本来应该要贴问题代码，但这里是博客，就不贴了，避免泄密风险。

//注意，这里变量初始化为零，其实也可能导致隐式调用了memset（具体看编译器实现）

 

         继续使用kcachegrind分析其它函数，把不必要的memset都改掉，再重新跑。发现memset消耗降低了很多。

        

         用同样方法对QuerySecSrv进行分析，发现也主要是memset消耗占大头，一样修改。

kcachegrind输出函数调用关系图

使用kcachegrind还可以输出函数调用关系及消耗信息全局视图进行分析：

单击main（或者其它想要分析的函数），在callees窗格切换到Call Graph选项，在出现的程序调用图右键可以设置图例选项。（一般建议修改Min.Node Cost选项，把5%改成1%，默认不显示调用消耗低于5%的函数）

 

在kcachegrind看大图片不方便，我们可以使用Export Graph功能导出图片，放到看图工具里面查看。

 

 

 

这个功能对于学习程序逻辑也很有帮助。

成果

         修改验证通过后后，对系统重新进行非功能测试，结果如下：

并发数	cpu使用率	tps
9	约60%	252
30	约100%	335

 

 

         图示：cpu使用率100%时us/sy有所下降

 

 

图示：优化后报文较验转换服务已退出cpu占用top10（从下到上cpu消耗逐渐下降）

结语

         使用callgrind可以帮助我们快速定位系统性能瓶颈，根据callgrind分析结果针对性对程序进行优化，分析过程也可以输出流程图辅助我们理解程序和单元测试，推荐大家了解一下。