【编者按】原文作者 Emil Soman,Rubyist,除此之外竟然同时也是艺术家,吉他手,Garden City RubyConf 组织者。本文是DIY Ruby CPU Profiling 的第一部分,由 OneAPM 工程师编译整理。
原文链接:http://crypt.codemancers.com/posts/2015-03-06-diy-ruby-cpu-profiling-part-i
在 Codemancers,我们正在建设 Rbkit——一个针对 Ruby 语言的——拥有新炫酷功能的代码分析器。我目前正在实现一个嵌在 rbkit gem 里的 CPU 分析器,这将有助 rbkit UI 重建分析 Ruby 进程调用图,并在屏幕上得出有用的可视化展示。在这个过程中,我学到了许多新东西,很乐意在本系列的博客文章中与您分享。
我们打算一步一步从基础开始,专门为 Ruby 编写一个初级的 CPU 分析器!在完成时我们将学到:
什么是 CPU 分析
分析模式——工具和采样
CPU Time 和 Wall Time ——它们分别是什么意思,如何测量?
写一个简单的 C 扩展并用于 Ruby 中
Ruby Tracepoints——调用和返回
C 语言中的信号处理
用一个信号暂停 Ruby 进程并用调用堆查看
用分析数据进行一些有用但笨拙的试验
Part I. 介绍 CPU 分析
通过对你的程序进行 CPU 分析,可以发现相较于 CPU 使用率,你的程序是多么宝贵。为了分析程序,你需要使用一个分析工具并按照下列步骤操作:
开始 CPU 剖析
执行你想要分析的代码
停止 CPU 剖析并得到剖析结果
分析结果
通过分析剖析结果,你会发现使整个程序缓慢的瓶颈。
分析模式
CPU 剖析可以分为以下两种方法:
1. 工具
在这种模式下,分析工具利用一些 hooks,由解释器提供或者插入程序中,来了解调用图并测量在调用图中每个方法的执行时间。举个例子,看一下下面这段 Ruby 代码:
def main
3.times do
find_many_square_roots
find_many_squares
end
end
def find_many_square_roots
5000.times{|i| Math.sqrt(i)}
end
def find_many_squares
5000.times{|i| i**2 }
end
main
我已经插入了一些内容,来帮助了解如果 Ruby 解释器给了我们方法的调用和返回的 hooks,它们如何执行:
def main
# method call hook gets executed
3.times do
find_many_square_roots
find_many_squares
end
# method end hook gets executed
end
def find_many_square_roots
# method call hook gets executed
5000.times{|i| Math.sqrt(i)}
# method end hook gets executed
end
def find_many_squares
# method call hook gets executed
5000.times{|i| i**2 }
# method end hook gets executed
end
main
现在,如果我们能够打印出当前时间和这些 hooks 内部当前方法的名称,会得到看起来像这种形式的输出结果:
sec:00 usec:201007 called main
sec:00 usec:201108 called find_many_square_roots
sec:00 usec:692123 returned find_many_square_roots
sec:00 usec:692178 called find_many_squares
sec:00 usec:846540 returned find_many_squares
sec:00 usec:846594 called find_many_square_roots
sec:01 usec:336166 returned find_many_square_roots
sec:01 usec:336215 called find_many_squares
sec:01 usec:484880 returned find_many_squares
sec:01 usec:484945 called find_many_square_roots
sec:01 usec:959254 returned find_many_square_roots
sec:01 usec:959315 called find_many_squares
sec:02 usec:106474 returned find_many_squares
sec:02 usec:106526 returned main
正如你所看到的,此输出可以告诉我们在每一种方法里面花了多长时间。同时也告诉我们,每一个方法调用的次数。这大概就解释了性能分析工具是如何工作的。
优点:
高精度
我们得到了方法调用数
易于实施
缺点:
每个被分析的方法执行 hooks 时的额外开销
2. 采样
在采样模式下,分析器每隔 x 时间单元打断一次程序,并查看调用堆并记录它的信息(被称为“样品”)。一旦该程序完成运行,分析器收集所有样品并找出每个方法出现在所有样品中的次数。
很难想象?让我们来看看同样的例子代码,看看如果我们使用采样分析器,输出结果会有怎样的不同。
采样分析器的输出结果如下:
Call stack at 0.5sec: main/find_many_square_roots
Call stack at 1.0sec: main/find_many_square_roots
Call stack at 1.5sec: main/find_many_square_roots
Call stack at 2.0sec: main/find_many_squares
在这个例子中,程序每 0.5 秒被中断一次并且调用堆栈被记录。因此,通过这个程序执行的过程我们得到了 4 个样品,find_many_square_roots
记录于 3 个样品中, find_many_squares
只存在于一个样品中。从本次采样中,我们得到 find_many_square_roots
占用了 75% CPU,与此同时 find_many_squares
只占用了 25% 的 CPU 。这就大概解释了分析器是怎么样工作的。
优点:
与工具分析相比开销可忽略不计
很容易找到缓慢/长时间运行的方法
缺点:
不擅长测量短时间运行的方法
我们没有得到方法调用数
很难自己写出采样分析器
概括
我们只是调查了 CPU 分析的含义和两种常用的 CPU 分析方法。在第 2 部分,我们将探讨对描述 CPU 使用情况的 2 个单位进行测量—— CPU Time 和 Wall Time。我们也会亲手写一些代码来获取进行测量。感谢您的阅读!
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