1 簡介

改進應用程序的性能是一項非常耗時耗力的工作，但是究竟程序中是哪些函數消耗掉了大部分執行時間，這通常都不是非常明顯的。GNU 編譯器工具包所提供了一種剖析工具 GNU profiler（gprof）。gprof 可以為 Linux平台上的程序精確分析性能瓶頸。gprof精確地給出函數被調用的時間和次數，給出函數調用關係。

gprof 用戶手冊網站 http://sourceware.org/binutils/docs-2.17/gprof/index.html

2 功能

Gprof 是GNU gnu binutils工具之一，默認情況下linux系統當中都帶有這個工具。

1. 可以顯示「flat profile」，包括每個函數的調用次數，每個函數消耗的處理器時間，

2. 可以顯示「Call graph」，包括函數的調用關係，每個函數調用花費了多少時間。

3. 可以顯示「注釋的源代碼」－－是程序源代碼的一個複本，標記有程序中每行代碼的執行次數。

3 原理

通過在編譯和鏈接程序的時候（使用 -pg 編譯和鏈接選項），gcc 在你應用程序的每個函數中都加入了一個名為mcount ( or  「_mcount」  , or  「__mcount」 , 依賴於編譯器或操作系統)的函數，也就是說你的應用程序里的每一個函數都會調用mcount, 而mcount 會在內存中保存一張函數調用圖，並通過函數調用堆棧的形式查找子函數和父函數的地址。這張調用圖也保存了所有與函數相關的調用時間，調用次數等等的所有信息。

4 使用流程

1. 在編譯和鏈接時 加上-pg選項。一般我們可以加在 makefile 中。

2. 執行編譯的二進位程序。執行參數和方式同以前。

3. 在程序運行目錄下 生成 gmon.out 文件。如果原來有gmon.out 文件，將會被重寫。

4. 結束進程。這時 gmon.out 會再次被刷新。

5. 用 gprof 工具分析 gmon.out 文件。

5 參數說明

l -b 不再輸出統計圖表中每個欄位的詳細描述。

l -p 只輸出函數的調用圖（Call graph的那部分信息）。

l -q 只輸出函數的時間消耗列表。

l -e Name 不再輸出函數Name 及其子函數的調用圖（除非它們有未被限制的其它父函數）。可以給定多個 -e 標誌。一個 -e 標誌只能指定一個函數。

l -E Name 不再輸出函數Name 及其子函數的調用圖，此標誌類似於 -e 標誌，但它在總時間和百分比時間的計算中排除了由函數Name 及其子函數所用的時間。

l -f Name 輸出函數Name 及其子函數的調用圖。可以指定多個 -f 標誌。一個 -f 標誌只能指定一個函數。

l -F Name 輸出函數Name 及其子函數的調用圖，它類似於 -f 標誌，但它在總時間和百分比時間計算中僅使用所列印的常式的時間。可以指定多個 -F 標誌。一個 -F 標誌只能指定一個函數。-F 標誌覆蓋 -E 標誌。

l -z 顯示使用次數為零的常式（按照調用計數和累積時間計算）。

一般用法： gprof –b 二進位程序 gmon.out >report.txt

6 報告說明

Gprof 產生的信息解釋：

%time	Cumulative seconds	Self  Seconds	Calls	Self TS/call	Total TS/call	name
該函數消耗時間占程序所有時間百分比	程序的累積執行時間 （只是包括gprof能夠監控到的函數）	該函數本身執行時間 （所有被調用次數的合共時間）	函數被調用次數	函數平均執行時間 （不包括被調用時間） （函數的單次執行時間）	函數平均執行時間 （包括被調用時間） （函數的單次執行時間）	函數名

Call Graph 的欄位含義：

Index	%time	Self	Children	Called	Name
索引值	函數消耗時間占所有時間百分比	函數本身執行時間	執行子函數所用時間	被調用次數	函數名

注意：

程序的累積執行時間只是包括gprof能夠監控到的函數。工作在內核態的函數和沒有加-pg編譯的第三方庫函數是無法被gprof能夠監控到的，（如sleep（）等）

Gprof 的具體參數可以 通過 man gprof 查詢。

7 共享庫的支持

對於代碼剖析的支持是由編譯器增加的，因此如果希望從共享庫中獲得剖析信息，就需要使用 -pg 來編譯這些庫。提供已經啟用代碼剖析支持而編譯的 C 庫版本（libc_p.a）。

如果需要分析系統函數（如libc庫），可以用 –lc_p替換-lc。這樣程序會鏈接libc_p.so或libc_p.a。這非常重要，因為只有這樣才能監控到底層的c庫函數的執行時間，（例如memcpy()，memset()，sprintf()等）。

gcc example1.c –pg -lc_p -o example1

注意要用ldd ./example | grep libc來查看程序鏈接的是libc.so還是libc_p.so

8 用戶時間與內核時間

gprof 的最大缺陷：它只能分析應用程序在運行過程中所消耗掉的用戶時間，無法得到程序內核空間的運行時間。通常來說，應用程序在運行時既要花費一些時間來運行用戶代碼，也要花費一些時間來運行 「系統代碼」，例如內核系統調用sleep()。

有一個方法可以查看應用程序的運行時間組成，在 time 命令下面執行程序。這個命令會顯示一個應用程序的實際運行時間、用戶空間運行時間、內核空間運行時間。

如 time ./program

輸出：

real    2m30.295s

user    0m0.000s

sys     0m0.004s

9 注意事項

1. g++在編譯和鏈接兩個過程，都要使用-pg選項。

2. 只能使用靜態連接libc庫，否則在初始化*.so之前就調用profile代碼會引起「segmentation fault」，解決辦法是編譯時加上-static-libgcc或-static。

3. 如果不用g++而使用ld直接鏈接程序，要加上鏈接文件/lib/gcrt0.o，如ld -o myprog /lib/gcrt0.o myprog.o utils.o -lc_p。也可能是gcrt1.o

4. 要監控到第三方庫函數的執行時間，第三方庫也必須是添加 –pg 選項編譯的。

5. gprof只能分析應用程序所消耗掉的用戶時間.

6. 程序不能以demon方式運行。否則採集不到時間。（可採集到調用次數）

7. 首先使用 time 來運行程序從而判斷 gprof 是否能產生有用信息是個好方法。

8. 如果 gprof 不適合您的剖析需要，那麼還有其他一些工具可以克服 gprof 部分缺陷，包括 OProfile 和 Sysprof。

9. gprof對於代碼大部分是用戶空間的CPU密集型的程序用處明顯。對於大部分時間運行在內核空間或者由於外部因素（例如操作系統的 I/O 子系統過載）而運行得非常慢的程序難以進行優化。

10. gprof 不支持多線程應用，多線程下只能採集主線程性能數據。原因是gprof採用ITIMER_PROF信號，在多線程內只有主線程才能響應該信號。但是有一個簡單的方法可以解決這一問題：http://sam.zoy.org/writings/programming/gprof.html

11. gprof只能在程序正常結束退出之後才能生成報告（gmon.out）。

a) 原因： gprof通過在atexit()里註冊了一個函數來產生結果信息，任何非正常退出都不會執行atexit()的動作，所以不會產生gmon.out文件。

b) 程序可從main函數中正常退出，或者通過系統調用exit()函數退出。

10 多線程應用

gprof 不支持多線程應用，多線程下只能採集主線程性能數據。原因是gprof採用ITIMER_PROF信號，在多線程內只有主線程才能響應該信號。

採用什麼方法才能夠分析所有線程呢？關鍵是能夠讓各個線程都響應ITIMER_PROF信號。可以通過樁子函數來實現，重寫pthread_create函數。

//////////////////// gprof-helper.c////////////////////////////

#define _GNU_SOURCE

#include <sys/time.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <dlfcn.h>

#include <pthread.h>

static void * wrapper_routine(void *);

/* Original pthread function */

static int (*pthread_create_orig)(pthread_t *__restrict,

                                  __const pthread_attr_t *__restrict,

                                  void *(*)(void *),

                                  void *__restrict) = NULL;

/* Library initialization function */

void wooinit(void) __attribute__((constructor));

void wooinit(void)

{

    pthread_create_orig = dlsym(RTLD_NEXT, "pthread_create");

    fprintf(stderr, "pthreads: using profiling hooks for gprof/n");

    if(pthread_create_orig == NULL)

    {

        char *error = dlerror();

        if(error == NULL)

        {

            error = "pthread_create is NULL";

        }

        fprintf(stderr, "%s/n", error);

        exit(EXIT_FAILURE);

    }

}

/* Our data structure passed to the wrapper */

typedef struct wrapper_s

{

    void * (*start_routine)(void *);

    void * arg;

    pthread_mutex_t lock;

    pthread_cond_t  wait;

    struct itimerval itimer;

} wrapper_t;

/* The wrapper function in charge for setting the itimer value */

static void * wrapper_routine(void * data)

{

    /* Put user data in thread-local variables */

    void * (*start_routine)(void *) = ((wrapper_t*)data)->;start_routine;

    void * arg = ((wrapper_t*)data)->;arg;

    /* Set the profile timer value */

    setitimer(ITIMER_PROF, &((wrapper_t*)data)->;itimer, NULL);

    /* Tell the calling thread that we don't need its data anymore */

    pthread_mutex_lock(&((wrapper_t*)data)->;lock);