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Go应用性能分析实战

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Go很适合用来开发高性能网络应用，但仍然需要借助有效的工具进行性能分析，优化代码逻辑。本文介绍了如何通过go test benchmark和pprof进行性能分析，从而实现最优的代码效能。原文: Profiling Go Applications in the Right Way with Examples

Go应用性能分析实战

什么是性能分析？

性能分析(Profiling) 是分析应用程序从而识别阻碍应用性能的瓶颈的基本技术，有助于检测代码的哪些部分执行时间太长或消耗太多资源(如CPU和内存)。

分析方法

有三种分析方法。

分析类型
  • CPU (收集应用程序CPU使用情况的数据)
  • 堆(Heap)/内存(Memory) (收集应用程序内存使用情况的数据)
  • Goroutine (识别创建最多Goroutine的函数)
  • 阻塞 (识别阻塞最多的函数)
  • 线程 (识别创建线程最多的函数)
  • 互斥锁 (识别有最多锁竞争的函数)

本文将主要关注使用上述方法进行CPU和内存分析。

1. 基准测试(Benchmarking)

我想实现著名的两数之和算法，这里不关注实现细节，直接运行:

go test -bench=.

-bench参数运行项目中的所有基准测试。

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根据上面的输出，与其他方法相比，TwoSumWithBruteForce是最有效的方法。别忘了结果取决于函数输入，如果输入一个大数组，会得到不同的结果。😅

如果输入go help testflag，将看到许多参数及其解释，比如count、benchtime等，后面将解释最常用的参数。

  • 如果要运行特定函数，可以通过如下方式指定:
go test -bench='BenchmarkTwoSumWithBruteForce'
  • 默认情况下，基准测试函数只运行一次。如果要自定义，可以使用count参数。例如,
go test -bench='.' -count=2

输出如下所示。

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  • 默认情况下，Go决定每个基准测试操作的运行时间，可以通过自定义benchtime='2s'指定。

可以同时使用count和benchtime参数，以便更好的度量基准函数。请参考How to write benchmarks in Go。

示例代码请参考Github。

在现实世界中，函数可能既复杂又长，计时毫无作用，因此需要提取CPU和内存分析文件以进行进一步分析。可以输入

go test -bench='.' -cpuprofile='cpu.prof' -memprofile='mem.prof'

然后通过pprof工具对其进行分析。

1.1 CPU分析

如果输入

go tool pprof cpu.prof

并回车，就会看到pprof交互式控制台。

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我们来看看最主要的内容。

  • 输入top15查看执行期间排名前15的资源密集型函数。 (15表示显示的节点数。)

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为了解释清楚，假设有一个A函数。

func A() {
   B()             // 耗时1s
   DO STH DIRECTLY // 耗时4s
   C()             // 耗时6s
}

flat值和cum值计算为: flat值为A=4, cum值为A=11(1s + 4s + 6s) 。

  • 如果要基于cum进行排序，可以键入top15 -cum。也可以分别使用sort=cum和top15命令。
  • 如果通过top获得更详细的输出，可以指定granularity选项。例如，如果设置granularity=lines，将显示函数的行。

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得益于此，我们可以识别导致性能问题的函数的特定行。😌

  • 输出还显示了运行时函数和用户自定义函数。如果只想关注自己的函数，可以设置hide=runtime并再次执行top15。

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可以通过输入hide=来重置。

  • 此外，可以使用show命令。例如，输入show=TwoSum

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  • 如果只关注指定节点，可以使用focus命令。例如关注TwoSumOnePassHashTable，显示为

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可以输入focus=来重置。

  • 如果需要获取该功能的详细信息，可以使用list命令。例如，想获得关于TwoSumWithTwoPassHashTable函数的详细信息，输入list TwoSumWithTwoPassHashTable

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  • 如果要查看图形化的调用栈，可以键入web。

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后面将提供更多关于分析图表的细节。

  • 还可以键入gif或pdf以与他人共享相应格式的分析数据。😃
1.2 内存分析

如果输入go tool pprof mem.prof并回车

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注意，上面提到的flat和cum是相同的东西，只是测量不同的东西(CPU单位ms，内存单位MB)。

  • list命令

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  • web命令

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可以使用CPU分析部分中提到的所有命令。

下面看一下另一个方法，runtime/pprof。🚀

2. 基于runtime/pprof的运行时分析

基准测试对单个函数的性能很有用，但不足以理解整体情况，这时就需要用到runtime/pprof💠。

2.1 CPU分析

基准测试内置CPU和内存分析，但如果需要让应用程序支持运行时CPU分析，必须首先显示启用。

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如果执行go run .，将看到生成的cpu.prof文件，可以通过基准测试部分提到的go tool pprof cpu.prof对齐进行分析。

本节将介绍我最喜欢的特性之一pprof.Labels。此特性仅适用于CPU和goroutine分析。

如果要向特定函数添加一个或多个标签，可以使用pprof.Do函数。

pprof.Do(ctx, pprof.Labels("label-key", "label-value"), func(ctx context.Context) {
    // 执行标签代码
})

例如,

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在pprof交互式控制台中，键入tags，将显示带了有用信息的标记函数。

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可以用标签做很多事情，阅读Profiler labels in Go可以获得更多信息。

pprof还有很棒的web界面，允许我们使用各种可视化方式分析数据。

输入go tool pprof -http=:6060 cpu.prof，localhost:6060将被打开。 (为了更清楚，我去掉了pprof.Labels)

让我们深入探讨图形表示。

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节点颜色、字体大小、边缘粗细等都有不同含义，参考pprof: Interpreting the Callgraph获取更多细节。可视化使我们能够更容易识别和修复性能问题。

单击图中的节点，可以对其进行细化，我们可以根据自己的选择对可视化进行过滤。下面展示了部分内容(focus、hide等)。

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还可以看到其他可视化选项。

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上面出现了peek和source(作为list命令)，因此下面将介绍火焰图(Flame Graph)。火焰图提供了代码时间花费的高级视图。

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每个函数都用一个彩色矩形表示，矩形的宽度与该函数花费的时间成正比。

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可以访问Github获取源码。

2.2 内存分析

如果需要向应用程序添加运行时内存分析，必须显式启用。

可以访问Github获取源码。

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如果执行go run .，将看到生成的mem.prof文件，可以用之前基准测试部分提到的go tool pprof mem.prof对齐进行分析。

下面将介绍两个更有用的命令tree和peek。

  • tree显示了执行流的所有调用者和被调用者。

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从而帮助我们识别执行流并找出消耗最多内存的对象。 (不要忘记使用granularity=lines，它提供了更可读的格式。)

  • 如果希望查看特定函数的执行流程，可以使用peek命令。例如，peek expensiveFunc显示如下

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  • 还可以使用pprof web界面进行内存分析。输入go tool pprof -http=:6060 mem.prof，打开localhost:6060。

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3. 基于net/http/pprof的Web分析

runtime/pprof包提供了Go程序性能分析的低级接口，而net/http/pprof为分析提供了更高级的接口，允许我们通过HTTP💃收集程序分析信息，所需要做的就是:

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输入localhost:5555/debug/pprof，就能在浏览器上看到所有可用的分析文件。如果没有使用stdlib，可以查看fiber、gin或echo的pprof实现。

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文档里记录了所有用法和参数，我们看一下最常用的。

获取CPU分析数据及技巧
go tool pprof http://localhost:5555/debug/pprof/profile?seconds=30

在CPU分析期间，请注意

runtime.mallogc → 表示可以优化小堆分配的数量。

syscall.Read或者syscall.Write → 表示应用程序在内核模式下花费了大量时间，为此可以尝试I/O缓冲。

获取堆(采样活跃对象内存分配)分析数据及技巧
go tool pprof http://localhost:5555/debug/pprof/heap

go tool pprof http://localhost:5555/debug/pprof/heap?gc=1

就我个人而言，我喜欢用GC参数诊断问题。例如，如果应用程序有内存泄漏问题，可以执行以下操作:

  • 触发GC(浏览器访问/debug/pprof/heap?gc=1)
  • 下载堆数据，假设下载文件名为file1
  • 等待几秒或几分钟
  • 再次触发GC(浏览器访问/debug/pprof/heap?gc=1)
  • 再次下载堆数据，假设下载文件名为file2
  • 使用diff_base进行比较
go tool pprof -http=:6060 -diff_base file2 file1

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获取内存分配(抽样过去所有的内存分配)分析数据及技巧
go tool pprof http://localhost:5555/debug/pprof/allocs

在内存分配分析期间，可以这样做

  • 如果看到bytes.growSlice，应该考虑使用sync.Pool。
  • 如果看到自定义函数，请检查是否在切片或映射中定义了固定容量。

延伸阅读

  1. pprof Github Readme
  2. Profiling Go Programs by Russ Cox
  3. pprof man page
  4. GopherCon 2019: Dave Cheney — Two Go Programs, Three Different Profiling Techniques
  5. GopherCon 2021: Felix Geisendörfer — Go Profiling and Observability from Scratch
  6. GopherConAU 2019 — Alexander Else — Profiling a go service in production
  7. Practical Go Lessons Profiling Chapter

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