Go 程序的性能调试问题 - CPU 篇

注：本文的原文 Debugging performance issues in Go programs 由 Dmitry Vyukov 在 05/10/2014 - 07:06 编写
注：原文太长，大家要看全部的请看原文，其他的部分，后续慢慢翻译。

让我们假设你想提升你的GO程序的性能。这里有一些工具可以帮助你完成这个任务。这些工具能帮助你定位多种类型的热点（CPU，IO，内存），你为了能够显著提升程序性能，你必须专注于热点发生的地方。尽管如此，另外一个结果是可能的--这些工具能帮助你确定程序中明显的性能缺陷。例如，当你在每个程序启动的时候，你可以在每次查询的之前准备一个 SQL 语句。另外一个例子是如果一个 O(N^2) 算法在某种程度上陷入了一个明显存在并且期望的 O(N) 情况。为了确定这样的情况，你需要完整性的检查你在 profiles 中看到的。例如第一种情况下大量的时间花费在 SQL 语句的准备上，这已经超越了告警线了。

同样重要的是要理解性能影响的各种边界因素。例如，一个程序通过 100 Mbps 的带宽连接通讯，并且它已经使用超过 90 Mbps，这里就没有什么可以对这程序做的来提升它的性能了。这些类似的边界因素包括 磁盘 IO，内存消耗和计算任务。

考虑到这一点，我们可以查看这些可用的工具。

注意：这些工具可能相互干扰，例如，精确的内存分析可能影响CPU分析。goroutine 阻塞分析可能影响调度追踪等等，隔离地使用这些工具以便得到更加精确的信息。

注意：这里所有的描述都是基于 Go1.3 版本的

CPU 分析器

Go runtime 包含了内建的 CPU 分析器，这显示了函数消耗的 CPU 时间百分比，这里你有3种方式访问它：

1. 最简单的一个方式是使用 go test 命令的 -cpuprofile 标记。例如，如下命令：
   $ go test -run=none -bench=ClientServerParallel4 -cpuprofile=cprof net/http
   将配置给出的基准和 CPU 的概要分析写入 cprof 文件。
   然后：
   $ go tool pprof --text http.test cprof
   将打印一份热点函数列表。
   这有几个可用的输出类型，最有用的几个为： --text，--web 和 --list 。运行 go tool pprof 来得到最完整的列表。
   这个选项最明显的特点就是它只适用于测试。
2. net/http/pprof 包。这是网络服务的理想解决方案。你仅仅只需要 import net/http/pprof 并且用如下命令收集概要文件：

$ go tool pprof --text mybin http://myserver:6060:/debug/pprof/profile

1. 手工配置收集。你需要 import runtime/pprof 并且 把如下代码加入 main 函数中：

if *flagCpuprofile != "" {
    f, err := os.Create(*flagCpuprofile)
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }
    pprof.StartCPUProfile(f)
    defer pprof.StopCPUProfile()
}

这份概要文件会被写入指定的文件中，想象它和第一个选项一样的命令行方式。

这里是一个使用 --web 选项产生的直观的概要文件示例：

你可以使用 -list=funcname 选项来研究单个函数，下面的 概要文件显示了在 append 函数中所花费的时间：

.      .   93: func (bp *buffer) WriteRune(r rune) error {
.      .   94:     if r < utf8.RuneSelf {
5      5   95:         *bp = append(*bp, byte(r))
.      .   96:         return nil
.      .   97:     }
.      .   98: 
.      .   99:     b := *bp
.      .  100:     n := len(b)
.      .  101:     for n+utf8.UTFMax > cap(b) {
.      .  102:         b = append(b, 0)
.      .  103:     }
.      .  104:     w := utf8.EncodeRune(b[n:n+utf8.UTFMax], r)
.      .  105:     *bp = b[:n+w]
.      .  106:     return nil
.      .  107: }

你可以在这里找到 pprof 工具的详细信息和描述的数字图。

当它不能解锁堆栈的时候，这里有关于分析器使用的3条特别条目：GC, System and ExternalCode。GC 表示内存垃圾回收的时间花费，见下面的内存分析器和垃圾收集器跟踪优化建议部分。System 表示 goroutine 调度花费的时间，堆栈管理代码以及其他辅助的 runtime 代码。ExternalCode 表示本地动态库花费的时间。

这里有些提示关于如何解释说明你在 profile 中看到的信息。

如果很多时间花费在 runtime.mallocgc 函数，程序可能在小内存分配上面花费过多。 profile 会告诉你分配从哪里来，看内存分析器建议如何优化的部分。

如果很多时间花费在 channel 操作部分，sync.Mutex 代码和其他 synchronization primitives或者是系统组件，程序可能在承受资源竞争。考虑重构程序，以消除对共享资源的频繁访问。常见的技术包括分片、分区，本地缓冲/批量处理和写时拷贝技术。

如果很多时间花费在 syscall.Read/Write 上面，程序可能在小读写上面花费代价太大。Bufio 包装 os.File 或是 net.Conn 能对这种情况有帮助。

如果很多时间花费在 GC 组件上面，程序不是分配了太多的临时对象就是 heap size 设置过小导致垃圾回收频繁发生。请看垃圾收集器跟踪和内存分析器优化建议部分。

注意： CPU profiler 目前不能在 darwin 上工作
注意： 在 windows 服务器上你需要安装 Cygwin, Perl and Graphviz 来生成 svg/web 格式的概要文件
注意： 在 Linux 上你可以尝试 perf system profiler，它不能解锁 GO 的堆栈，但是它能分析并且解锁 cgo/SWIG 代码和内核。所以它在定位分析本地/内核性能瓶颈上非常有用。