Go 程式的效能調試問題 - CPU 篇

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註：本文的原文 Debugging performance issues in Go programs 由 Dmitry Vyukov 在 05/10/2014 - 07:06 編寫
註：原文太長，大家要看全部的請看原文，其他的部分，後續慢慢翻譯。

讓我們假設你想提升你的GO程式的效能。這裡有一些工具可以協助你完成這個任務。這些工具能協助你定位多種類型的熱點（CPU，IO，記憶體），你為了能夠顯著提升程式效能，你必須專註於熱點發生的地方。儘管如此，另外一個結果是可能的--這些工具能協助你確定程式中明顯的效能缺陷。例如，當你在每個程式啟動的時候，你可以在每次查詢的之前準備一個 SQL 陳述式。另外一個例子是如果一個 O(N^2) 演算法在某種程度上陷入了一個明顯存在並且期望的 O(N) 情況。為了確定這樣的情況，你需要完整性的檢查你在 profiles 中看到的。例如第一種情況下大量的時間花費在 SQL 陳述式的準備上，這已經超越了警示線了。

同樣重要的是要理解效能影響的各種邊界因素。例如，一個程式通過 100 Mbps 的頻寬串連通訊，並且它已經使用超過 90 Mbps，這裡就沒有什麼可以對這程式做的來提升它的效能了。這些類似的邊界因素包括 磁碟 IO，記憶體消耗和計算任務。

考慮到這一點，我們可以查看這些可用的工具。

注意：這些工具可能相互幹擾，例如，精確的記憶體分析可能影響CPU分析。goroutine 阻塞分析可能影響調度追蹤等等，隔離地使用這些工具以便得到更加精確的資訊。

注意：這裡所有的描述都是基於 Go1.3 版本的

CPU 分析器

Go runtime 包含了內建的 CPU 分析器，這顯示了函數消耗的 CPU 時間百分比，這裡你有3種方式訪問它：

1. 最簡單的一個方式是使用 go test 命令的 -cpuprofile 標記。例如，如下命令：
   $ go test -run=none -bench=ClientServerParallel4 -cpuprofile=cprof net/http
   將配置給出的基準和 CPU 的概要分析寫入 cprof 檔案。
   然後：
   $ go tool pprof --text http.test cprof
   將列印一份熱點函數列表。
   這有幾個可用的輸出類型，最有用的幾個為： --text，--web 和 --list 。運行 go tool pprof 來得到最完整的列表。
   這個選項最明顯的特點就是它只適用於測試。
2. net/http/pprof 包。這是網路服務的理想解決方案。你僅僅只需要 import net/http/pprof 並且用如下命令收集概要檔案：

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

1. 手工配置收集。你需要 import runtime/pprof 並且 把如下代碼加入 main 函數中：

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

這份概要檔案會被寫入指定的檔案中，想象它和第一個選項一樣的命令列方式。

這裡是一個使用 --web 選項產生的直觀的概要檔案樣本：

你可以使用 -list=funcname 選項來研究單個函數，下面的 概要檔案顯示了在 append 函數中所花費的時間：

.      .   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: }

你可以在這裡找到 pprof 工具的詳細資料和描述的數字圖。

當它不能解鎖堆棧的時候，這裡有關於分析器使用的3條特別條目：GC, System and ExternalCode。GC 表示記憶體記憶體回收的時間花費，見下面的記憶體分析器和垃圾收集器跟蹤最佳化建議部分。System 表示 goroutine 調度花費的時間，堆棧管理代碼以及其他輔助的 runtime 代碼。ExternalCode 表示本地動態庫花費的時間。

這裡有些提示關於如何解釋說明你在 profile 中看到的資訊。

如果很多時間花費在 runtime.mallocgc 函數，程式可能在小記憶體配置上面花費過多。 profile 會告訴你分配從哪裡來，看記憶體分析器建議如何最佳化的部分。

如果很多時間花費在 channel 操作部分，sync.Mutex 代碼和其他 synchronization primitives或者是系統組件，程式可能在承受資源競爭。考慮重構程式，以消除對共用資源的頻繁訪問。常見的技術包括分區、分區，本地緩衝/批量處理和寫時拷貝技術。

如果很多時間花費在 syscall.Read/Write 上面，程式可能在小讀寫上面花費代價太大。Bufio 封裝 os.File 或是 net.Conn 能對這種情況有協助。

如果很多時間花費在 GC 組件上面，程式不是分配了太多的臨時對象就是 heap size 設定過小導致記憶體回收頻繁發生。請看垃圾收集器跟蹤和記憶體分析器最佳化建議部分。

注意： CPU profiler 目前不能在 darwin 上工作
注意： 在 windows 伺服器上你需要安裝 Cygwin, Perl and Graphviz 來產生 svg/web 格式的概要檔案
注意： 在 Linux 上你可以嘗試 perf system profiler，它不能解鎖 GO 的堆棧，但是它能分析並且解鎖 cgo/SWIG 代碼和核心。所以它在定位分析本地/核心效能瓶頸上非常有用。