如何分析程序运行时间和CPU利用率情况

1.shell内置time指令

time是Unix/linux内置多命令，使用时一般不用传过多参数，直接跟上需要调试多程序即可。

$ time go run test2.go 
&{{0 0} 张三 0}

real	0m0.843s
user	0m0.216s
sys	0m0.389s

上面是使用time对 go run test2.go对执行程序坐了性能分析，得到3个指标。

● real：从程序开始到结束，实际度过的时间；
● user：程序在用户态度过的时间；
● sys：程序在内核态度过的时间。

一般情况下 real >= user + sys，因为系统还有其它进程(切换其他进程中间对于本进程会有空白期)

/usr/bin/time指令

这个指令比内置的time更加详细一些，使用的时候需要用绝对路径，而且要加上参数-v

$ /usr/bin/time -v go run test2.go  

	Command being timed: "go run test2.go"
	User time (seconds): 0.12
	System time (seconds): 0.06
	Percent of CPU this job got: 115%
	Elapsed (wall clock) time (h:mm:ss or m:ss): 0:00.16
	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): 41172
	Average resident set size (kbytes): 0
	Major (requiring I/O) page faults: 1
	Minor (reclaiming a frame) page faults: 15880
	Voluntary context switches: 897
	Involuntary context switches: 183
	Swaps: 0
	File system inputs: 256
	File system outputs: 2664
	Socket messages sent: 0
	Socket messages received: 0
	Signals delivered: 0
	Page size (bytes): 4096
	Exit status: 0

可以看到这里的功能要强大多了，除了之前的信息外，还包括了：

● CPU占用率；
● 内存使用情况；
● Page Fault 情况；
● 进程切换情况；
● 文件系统IO；
● Socket 使用情况；
● ……

如何分析golang程序的内存使用情况？

1.内存占用情况查看

package main

import (
    "log"
    "runtime"
    "time"
)

func test() {
    //slice 会动态扩容，用slice来做堆内存申请
    container := make([]int, 8)

    log.Println(" ===> loop begin.")
    for i := 0; i < 32*1000*1000; i++ {
        container = append(container, i)
    }
    log.Println(" ===> loop end.")
}

func main() {
    log.Println("Start.")

    test()

    log.Println("force gc.")
    runtime.GC() //强制调用gc回收

    log.Println("Done.")

    time.Sleep(3600 * time.Second) //睡眠，保持程序不退出
}

编译

$go build -o snippet && ./snippet

然后在./snippet进程没有执行完，我们再开一个窗口，通过top命令查看进程的内存占用情况

$top -p $(pidof snippet_mem)

结果如下：

我们看出来，没有退出的snippet_mem进程有约830m的内存被占用。

直观上来说，这个程序在test()函数执行完后，切片contaner的内存应该被释放，不应该占用830M那么大。
结论：
1、在test()函数执行完后，demo程序中的切片容器所申请的堆空间都被垃圾回收器回收了。

2、如果此时在top指令查询内存的时候，如果依然是800+MB，说明垃圾回收器回收了应用层的内存后，（可能）并不会立即将内存归还给系统。

如何分析golang程序的CPU性能情况

1.性能分析注意事项

● 性能分析必须在一个
可重复的、稳定的环境中来进行。
○ 机器必须闲置
■ 不要在共享硬件上进行性能分析;
■ 不要在性能分析期间，在同一个机器上去浏览网页
○ 注意省电模式和过热保护，如果突然进入这些模式，会导致分析数据严重不准确
○ 不要使用虚拟机、共享的云主机，太多干扰因素，分析数据会很不一致；
○ 不要在 macOS 10.11 及以前的版本运行性能分析，有 bug，之后的版本修复了。

如果承受得起，购买专用的性能测试分析的硬件设备，上架。

● 关闭电源管理、过热管理;
● 绝不要升级，以保证测试的一致性，以及具有可比性。

如果没有这样的环境，那就一定要在多个环境中，执行多次，以取得可参考的、具有相对一致性的测试结果

2.CPU性能分析

利用以下代码进行测试：

package main

import (
    "bytes"
    "math/rand"
    "time"
    "log"
    "net/http"
    _ "net/http/pprof"
)


func test() {

    log.Println(" ===> loop begin.")
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        log.Println(genSomeBytes())
    }

    log.Println(" ===> loop end.")
}

//生成一个随机字符串
func genSomeBytes() *bytes.Buffer {

    var buff bytes.Buffer

    for i := 1; i < 20000; i++ {
        buff.Write([]byte{'0' + byte(rand.Intn(10))})
    }

    return &buff
}

func main() {

    go func() {
        for {
            test()
            time.Sleep(time.Second * 1)
        }
    }()

    //启动pprof
    http.ListenAndServe("0.0.0.0:10000", nil)

}

这里面还是启动了pprof的监听,有关pprof启动的代码如下：

import (
    "net/http"
    _ "net/http/pprof"
)

func main() {
	//...
  //...
  
  //启动pprof
  http.ListenAndServe("0.0.0.0:10000", nil)
}

main()里的流程很简单,启动一个goroutine去无限循环调用test()方法,休眠1s.

test()的流程是生成1000个20000个字符的随机字符串.并且打印.

我们将上面的代码编译成可执行的二进制文件 demo4(记住这个名字,稍后我们能用到)

$ go build demo4.go

接下来我们启动程序,程序会无限循环的打印字符串.

接下来我们通过几种方式来查看进程的cpu性能情况.

A.Web界面查看

浏览器访问http://127.0.0.1:10000/debug/pprof/

我们会看到如下画面

这里面能够通过pprof查看包括(阻塞信息、cpu信息、内存堆信息、锁信息、goroutine信息等等), 我们这里关心的cpu的性能的profile信息.

有关profile下面的英文解释大致如下:

“CPU配置文件。您可以在秒GET参数中指定持续时间。获取概要文件后，请使用go tool pprof命令调查概要文件。”

所以我们要是想得到cpu性能,就是要获取到当前进程的profile文件,这个文件默认是30s生成一个,所以你的程序要至少运行30s以上(这个参数也可以修改,稍后我们介绍)

我们可以直接点击网页的profile,浏览器会给我们下载一个profile文件. 记住这个文件的路径, 可以拷贝到与demo4所在的同一文件夹下.

B.使用pprof工具查看

pprof 的格式如下：

go tool pprof [binary] [profile]

binary: 必须指向生成这个性能分析数据的那个二进制可执行文件；

profile: 必须是该二进制可执行文件所生成的性能分析数据文件。

binary 和 profile 必须严格匹配。

我们来查看一下:

$ go tool pprof ./demo4 profile

File: demo4
Type: cpu
Time: Mar 3, 2020 at 11:18pm (CST)
Duration: 30.13s, Total samples = 6.27s (20.81%)
Entering interactive mode (type "help" for commands, "o" for options)
(pprof)

help可以查看一些指令,我么可以通过top来查看cpu的性能情况.

(pprof) top
Showing nodes accounting for 5090ms, 81.18% of 6270ms total
Dropped 80 nodes (cum <= 31.35ms)
Showing top 10 nodes out of 60
      flat  flat%   sum%        cum   cum%
    1060ms 16.91% 16.91%     2170ms 34.61%  math/rand.(*lockedSource).Int63
     850ms 13.56% 30.46%      850ms 13.56%  sync.(*Mutex).Unlock (inline)
     710ms 11.32% 41.79%     2950ms 47.05%  math/rand.(*Rand).Int31n
     570ms  9.09% 50.88%      990ms 15.79%  bytes.(*Buffer).Write
     530ms  8.45% 59.33%      540ms  8.61%  syscall.Syscall
     370ms  5.90% 65.23%      370ms  5.90%  runtime.procyield
     270ms  4.31% 69.54%     4490ms 71.61%  main.genSomeBytes
     250ms  3.99% 73.52%     3200ms 51.04%  math/rand.(*Rand).Intn
     250ms  3.99% 77.51%      250ms  3.99%  runtime.memmove
     230ms  3.67% 81.18%      690ms 11.00%  runtime.suspendG
(pprof)

这里面有几列数据,需要说明一下.

● flat：当前函数占用CPU的耗时
● flat%：:当前函数占用CPU的耗时百分比
● sum%：函数占用CPU的耗时累计百分比
● cum：当前函数加上调用当前函数的函数占用CPU的总耗时
● cum%：当前函数加上调用当前函数的函数占用CPU的总耗时百分比
● 最后一列：函数名称

通过结果我们可以看出, 该程序的大部分cpu性能消耗在 main.getSoneBytes()方法中,其中math/rand取随机数消耗比较大.