Go语言核心36讲(Go语言实战与应用二十六)--学习笔记

发布于 2022年 01月 12日 08:44

48 | 程序性能分析基础(上)

作为拾遗的部分,今天我们来讲讲与 Go 程序性能分析有关的基础知识。

Go 语言为程序开发者们提供了丰富的性能分析 API,和非常好用的标准工具。这些 API 主要存在于:

1、runtime/pprof;

2、net/http/pprof;

3、runtime/trace;

这三个代码包中。

另外,runtime代码包中还包含了一些更底层的 API。它们可以被用来收集或输出 Go 程序运行过程中的一些关键指标,并帮助我们生成相应的概要文件以供后续分析时使用。

至于标准工具,主要有go tool pprof和go tool trace这两个。它们可以解析概要文件中的信息,并以人类易读的方式把这些信息展示出来。

此外,go test命令也可以在程序测试完成后生成概要文件。如此一来,我们就可以很方便地使用前面那两个工具读取概要文件,并对被测程序的性能加以分析。这无疑会让程序性能测试的一手资料更加丰富,结果更加精确和可信。

在 Go 语言中,用于分析程序性能的概要文件有三种,分别是:CPU 概要文件(CPU Profile)、内存概要文件(Mem Profile)和阻塞概要文件(Block Profile)。

这些概要文件中包含的都是:在某一段时间内,对 Go 程序的相关指标进行多次采样后得到的概要信息。

对于 CPU 概要文件来说,其中的每一段独立的概要信息都记录着,在进行某一次采样的那个时刻,CPU 上正在执行的 Go 代码。

而对于内存概要文件,其中的每一段概要信息都记载着,在某个采样时刻,正在执行的 Go 代码以及堆内存的使用情况,这里包含已分配和已释放的字节数量和对象数量。至于阻塞概要文件,其中的每一段概要信息,都代表着 Go 程序中的一个 goroutine 阻塞事件。

注意,在默认情况下,这些概要文件中的信息并不是普通的文本,它们都是以二进制的形式展现的。如果你使用一个常规的文本编辑器查看它们的话,那么肯定会看到一堆“乱码”。

这时就可以显现出go tool pprof这个工具的作用了。我们可以通过它进入一个基于命令行的交互式界面,并对指定的概要文件进行查阅。就像下面这样:

$ go tool pprof cpuprofile.out
Type: cpu
Time: Nov 9, 2018 at 4:31pm (CST)
Duration: 7.96s, Total samples = 6.88s (86.38%)
Entering interactive mode (type "help" for commands, "o" for options)
(pprof) 

关于这个工具的具体用法,我就不在这里赘述了。在进入这个工具的交互式界面之后,我们只要输入指令help并按下回车键,就可以看到很详细的帮助文档。

我们现在来说说怎样生成概要文件。

你可能会问,既然在概要文件中的信息不是普通的文本,那么它们到底是什么格式的呢?一个对广大的程序开发者而言,并不那么重要的事实是,它们是通过 protocol buffers 生成的二进制数据流,或者说字节流。

概括来讲,protocol buffers 是一种数据序列化协议,同时也是一个序列化工具。它可以把一个值,比如一个结构体或者一个字典,转换成一段字节流。

也可以反过来,把经过它生成的字节流反向转换为程序中的一个值。前者就被叫做序列化,而后者则被称为反序列化。

换句话说,protocol buffers 定义和实现了一种“可以让数据在结构形态和扁平形态之间互相转换”的方式。

Protocol buffers 的优势有不少。比如,它可以在序列化数据的同时对数据进行压缩,所以它生成的字节流,通常都要比相同数据的其他格式(例如 XML 和 JSON)占用的空间明显小很多。

又比如,它既能让我们自己去定义数据序列化和结构化的格式,也允许我们在保证向后兼容的前提下去更新这种格式。

正因为这些优势,Go 语言从 1.8 版本开始,把所有 profile 相关的信息生成工作都交给 protocol buffers 来做了。这也是我们在上述概要文件中,看不到普通文本的根本原因了。

Protocol buffers 的用途非常广泛,并且在诸如数据存储、数据传输等任务中有着很高的使用率。不过,关于它,我暂时就介绍到这里。你目前知道这些也就足够了。你并不用关心runtime/pprof包以及runtime包中的程序是如何序列化这些概要信息的。

继续回到怎样生成概要文件的话题,我们依然通过具体的问题来讲述。

我们今天的问题是:怎样让程序对 CPU 概要信息进行采样?

这道题的典型回答是这样的。

这需要用到runtime/pprof包中的 API。更具体地说,在我们想让程序开始对 CPU 概要信息进行采样的时候,需要调用这个代码包中的StartCPUProfile函数,而在停止采样的时候则需要调用该包中的StopCPUProfile函数。

问题解析

runtime/pprof.StartCPUProfile函数(以下简称StartCPUProfile函数)在被调用的时候,先会去设定 CPU 概要信息的采样频率,并会在单独的 goroutine 中进行 CPU 概要信息的收集和输出。

注意,StartCPUProfile函数设定的采样频率总是固定的,即:100赫兹。也就是说,每秒采样100次,或者说每10毫秒采样一次。

赫兹,也称 Hz,是从英文单词“Hertz”(一个英文姓氏)音译过来的一个中文词。它是 CPU 主频的基本单位。

CPU 的主频指的是,CPU 内核工作的时钟频率,也常被称为 CPU clock speed。这个时钟频率的倒数即为时钟周期(clock cycle),也就是一个 CPU 内核执行一条运算指令所需的时间,单位是秒。

例如,主频为1000Hz 的 CPU,它的单个内核执行一条运算指令所需的时间为0.001秒,即1毫秒。又例如,我们现在常用的3.2GHz 的多核 CPU,其单个内核在1个纳秒的时间里就可以至少执行三条运算指令。

StartCPUProfile函数设定的 CPU 概要信息采样频率,相对于现代的 CPU 主频来说是非常低的。这主要有两个方面的原因。

一方面,过高的采样频率会对 Go 程序的运行效率造成很明显的负面影响。因此,runtime包中SetCPUProfileRate函数在被调用的时候,会保证采样频率不超过1MHz(兆赫),也就是说,它只允许每1微秒最多采样一次。StartCPUProfile函数正是通过调用这个函数来设定 CPU 概要信息的采样频率的。

另一方面,经过大量的实验,Go 语言团队发现100Hz 是一个比较合适的设定。因为这样做既可以得到足够多、足够有用的概要信息,又不至于让程序的运行出现停滞。另外,操作系统对高频采样的处理能力也是有限的,一般情况下,超过500Hz 就很可能得不到及时的响应了。

在StartCPUProfile函数执行之后,一个新启用的 goroutine 将会负责执行 CPU 概要信息的收集和输出,直到runtime/pprof包中的StopCPUProfile函数被成功调用。

StopCPUProfile函数也会调用runtime.SetCPUProfileRate函数,并把参数值(也就是采样频率)设为0。这会让针对 CPU 概要信息的采样工作停止。

同时,它也会给负责收集 CPU 概要信息的代码一个“信号”,以告知收集工作也需要停止了。

在接到这样的“信号”之后,那部分程序将会把这段时间内收集到的所有 CPU 概要信息,全部写入到我们在调用StartCPUProfile函数的时候指定的写入器中。只有在上述操作全部完成之后,StopCPUProfile函数才会返回。

好了,经过这一番解释,你应该已经对 CPU 概要信息的采样工作有一定的认识了。你可以去看看 demo96.go 文件中的代码,并运行几次试试。这样会有助于你加深对这个问题的理解。

package main

import (
	"errors"
	"fmt"
	"os"
	"puzzlers/article37/common"
	"puzzlers/article37/common/op"
	"runtime/pprof"
)

var (
	profileName = "cpuprofile.out"
)

func main() {
	f, err := common.CreateFile("", profileName)
	if err != nil {
		fmt.Printf("CPU profile creation error: %v\n", err)
		return
	}
	defer f.Close()
	if err := startCPUProfile(f); err != nil {
		fmt.Printf("CPU profile start error: %v\n", err)
		return
	}
	if err = common.Execute(op.CPUProfile, 10); err != nil {
		fmt.Printf("execute error: %v\n", err)
		return
	}
	stopCPUProfile()
}

func startCPUProfile(f *os.File) error {
	if f == nil {
		return errors.New("nil file")
	}
	return pprof.StartCPUProfile(f)
}

func stopCPUProfile() {
	pprof.StopCPUProfile()
}

总结

我们这两篇内容讲的是 Go 程序的性能分析,这其中的内容都是你从事这项任务必备的一些知识和技巧。

首先,我们需要知道,与程序性能分析有关的 API 主要存在于runtime、runtime/pprof和net/http/pprof这几个代码包中。它们可以帮助我们收集相应的性能概要信息,并把这些信息输出到我们指定的地方。

Go 语言的运行时系统会根据要求对程序的相关指标进行多次采样,并对采样的结果进行组织和整理,最后形成一份完整的性能分析报告。这份报告就是我们一直在说的概要信息的汇总。

一般情况下,我们会把概要信息输出到文件。根据概要信息的不同,概要文件的种类主要有三个,分别是:CPU 概要文件(CPU Profile)、内存概要文件(Mem Profile)和阻塞概要文件(Block Profile)。

笔记源码

https://github.com/MingsonZheng/go-core-demo

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