1.3.7 gprof：性能分析工具

gprof是GNU profile工具，可以运行于linux、AIX、Sun等操作系统进行C、C++、Pascal、Fortran程序的性能分析，用于程序的性能优化以及程序瓶颈问题的查找和解决。通过分析应用程序运行时产生的 'flat profile'，可以得到每个函数的调用次数，每个函数消耗的处理器时间，也可以得到函数的 '调用关系图' ，包括函数调用的层次关系，每个函数调用花费了多少时间。

• Gprof具有以下优缺点：

• 需要编译选项支持：

• 调试多线程程序只能统计主线程的信息（所以不能用于 kingbase）。

• 例如：gcc -pg -o test test.cpp ，编译器会自动在目标代码中插入用于性能测试的代码片断，这些代码在程序运行时采集并记录函数的调用关系和调用次数，并记录函数自身执行时间和被调用函数的执行时间。

• 执行编译后的可执行程序，如：./test。该步骤运行程序的时间会稍慢于正常编译的可执行程序的运行时间。程序运行结束后，会在程序所在路径下生成一个缺省文件名为 gmon.out 的文件，这个文件就是记录程序运行的性能、调用关系、调用次数等信息的数据文件。

• 使用 gprof 命令来分析记录程序运行信息的 gmon.out 文件，如：gprof test gmon.out 则可以在显示器上看到函数调用相关的统计、分析信息。上述信息也可以采用 gprof test gmon.out > gprofresult.txt 重定向到文本文件以便于后续分析。

• 使用 gcc/cc 或 g++ 编译和链接时需要加入 -pg 选项；

• 使用 ld 链接时需要用 /lib/gcrt0.o 代替 crt0.o 作为第一个 input 文件

• 如果要调试 libc 库需要使用 -lc_p代替 -lc 参数

• GNU工具，人手一个；

• 混合方法采集信息。

• 优点：

• 缺点：

命令行选项如下：

选项	描述
-b	不再输出统计图表中每个字段的详细描述。
-q	只输出函数的调用图（Call graph的那部分信息）。
-p	只输出函数的时间消耗列表。
-e Name	不再输出函数 Name 及其子函数的调用图（除非它们有未被限制的其它父函数）。可以给定多个 -e 标志。一个 -e 标志只能指定一个函数。
-E Name	不再输出函数 Name 及其子函数的调用图，此标志类似于 -e 标志，但它在总时间和百分比时间的计算中排除了由函数 Name 及其子函数所用的时间。
-f Name	输出函数 Name 及其子函数的调用图。可以指定多个 -f 标志。一个 -f 标志只能指定一个函数。
-F Name	输出函数 Name 及其子函数的调用图，它类似于 -f 标志，但它在总时间和百分比时间计算中仅使用所打印的例程的时间。可以指定多个 -F 标志。一个 -F 标志只能指定一个函数。-F 标志覆盖 -E 标志。
-z	显示使用次数为零的例程（按照调用计数和累积时间计算）。

例子：

 1 #include

 2 #include

 3 int a(void)

 4 {

 5     int i=0,g=0;

 6     while(i++ < 100000)

 7     {

 8         g+=i;

 9     }

10     

11     return g;

12 }

13 

14 int b(void)

15 {

16     int i=0,g=0;

17     

18     while(i++ < 400000)

19     {

20         g +=i;

21     }

22     

23     return g;

24 }

25 

26 int main(int argc, char** argv)

27 {

28     int iterations;

29     

30     if(argc != 2)

31     {

32         printf('Usage %s n', argv[0]);

33         exit(-1);

34     }

35     else

36         iterations = atoi(argv[1]);

37     printf('No of iterations = %dn', iterations);

38     

39     while(iterations--)

40     {

41         a();

42         b();

43     }

44 }

 

应用程序包括两个函数：a 和 b，它们通过运行不同次数的循环来消耗不同的CPU时间。

main 函数中采用了一个循环来反复调用这两个函数。函数 b 中循环的次数是 a 函数的 4 倍，因此我们期望通过 gprof 的分析结果可以观察到大概有 20% 的时间花在了 a 函数中，而 80% 的时间花在了 b 函数中。

编译程序：gcc test.c -pg -o test -O2 -lc

运行并传入参数：./test 50000

程序运行完之后，会在目录下生成一个 gmon.out 文件：

使用 gprof 命令分析分析 gmon.out 文件gprof test gmon.out -p

程序运行时间太短，所以 gprof 无效，若是大程序即可使用此来分析。

上面那些参数得含义如下：

名称	含义
%time	函数以及衍生函数（函数内部再次调用的子函数）所占的总运行时间的百分比
cumulative seconds	函数累计执行的时间
self seconds	函数执行占用的时间
calls	函数的调用次数
self ms/call	每一次调用函数花费的时间microseconds，不包括衍生函数的运行时间
total ms/call	每一次调用函数花费的时间microseconds，包括衍生函数的运行时间
name	函数名称

 

1.3.8 ld：GNU 链接器

ld 是 GNU 工具链中的一个软件，主要用于将 obj 文件链接成可执行文件。同时可以使用自己的脚本来控制 ld 的行为，可以通过 -T 选项选择自己的脚本而不是默认的。

选项	描述
-static	静态链接
-l	指定链接某个库
-e name	指定 name 为程序入口
-r	合并目标文件，不进行最终链接
-L	指定链接时查找路径，多个路径之间用冒号隔开
-M	将链接时的符号和地址输出成一个映射文件
-o	指定输出的文件名
-s	清除输出文件中的符号信息
-shared	链接器生成一个 Linux 上使用的动态库
-S	清除输出文件中的调试信息
-T file>	指定链接脚本文件
-Ttext	指定 text 段的地址
-version-script	指定符号版本脚本文件
-soname	指定输出动态库的 SONAME
-export-dynamic	将全局符号全部导出
-verbose	链接时输出详细信息
-rpath	指定链接时库查找路径
--help	查看链接器的帮助信息

1.3.9 libbfd：二进制文件描述器

libbfd 工具不会在安装 binutils 的时候自动安装，需要在 binutils 安装包的 bfd 文件夹下单独安装。

在安装完 binutils 工具之后就可以看到此工具。安装完成后，会生成如下文件：

• /usr/local/include/bfd.h

• /usr/local/lib/libbfd.a

可以利用此工具获取 elf 可执行文件的 section(节) 及 symbol(符号) 信息。

使用此工具需要注意的地方：

1. 头文件包含

1. 采用GNU autotools的项目，在编译前一般都会执行一下 configure 脚本，生成 Makefile 及 config.h文 件。

2. 对于没有使用 GNU autotools 的应用，可以采用如下格式得到 config.h 文件，这个文件的内容，相当于是使用 GNU autotools 开发一个 hello world 项目而得到的 config.h，下面就是 config.h 文件的模板

3. 程序使用bfd，需要包含bfd.h头文件。但是，在包含 bfd.h 之前，还需要包含 config.h。即代码中需要有如下形式的文件包含：

4.     #include 'config.h'
       #include 

5. config.h 不是系统的头文件，也不是bfd库的头文件，而是应用程序自己的头文件。

 

 1 /* config.h.  Generated from config.h.in by configure.  */

 2 /* config.h.in.  Generated from configure.ac by autoheader.  */

 3      

 4 /* Name of package */

 5 #define PACKAGE 'hello'

 6      

 7 /* Define to the address where bug reports for this package should be sent. */

 8 #define PACKAGE_BUGREPORT 'bug-report@address'

 9      

10 /* Define to the full name of this package. */

11 #define PACKAGE_NAME 'hello'

12      

13 /* Define to the full name and version of this package. */

14 #define PACKAGE_STRING 'hello 1.0'

15      

16 /* Define to the one symbol short name of this package. */

17 #define PACKAGE_TARNAME 'hello'

18      

19 /* Define to the home page for this package. */

20 #define PACKAGE_URL ''

21      

22 /* Define to the version of this package. */

23 #define PACKAGE_VERSION '1.0'

24      

25 /* Version number of package */

26 #define VERSION '1.0'

1. 链接

1. 链接的时候需要带上这几个库：bfd iberty dl z

2. 例如，假设 hello.c 是一个完整的使用 bfd 库的程序，则他的编译方法如：gcc hello.c -lbfd -liberty -ldl -lz

例子如下：

 1 #include

 2 #include

 3 #include 'config.h'

 4 #include

 5 #include

 6 #include

 7 #include

 8 #include

 9  

10 /* 

11    这里定义 3 个 static 变量，并把他们放到一个单独的 section 中。

12    后面，我们通过 bfd 找出这个 section，并得到这 3 个变量的内容。

13    同时，我们还通过符号查找操作，找到 a_haha 这个 static 变量的信息。

14 */

15 static uint64_t  a_haha   __attribute__((section ('my_test_sec'))) =3;

16 static uint64_t  b        __attribute__((section ('my_test_sec'))) =7;

17 static uint64_t  c        __attribute__((section ('my_test_sec'))) =8;

18  

19 /* 获取当前进程自己的elf文件路径 */

20 int get_self_path(char *buf, int buf_len)

21 {

22     int ret = readlink('/proc/self/exe', buf, buf_len);

23     buf[ret]='';

24     return ret; 

25 }

26  

27 void section_proc(bfd *abfd,  asection *sect, PTR obj)

28 {

29     if (strcmp(sect->name, 'my_test_sec')==0)

30         printf('section %s existsn', sect->name);

31 }

32  

33 void search_a_given_symbol(bfd *ibfd, const char *name)

34 {

35          long storage_needed;

36          asymbol **symbol_table;

37          long number_of_symbols;

38          long i;

39          symbol_info symbolinfo ;

40  

41          storage_needed = bfd_get_symtab_upper_bound(ibfd);

42  

43          symbol_table =  (void *)(unsigned long)malloc(storage_needed);

44          number_of_symbols =  bfd_canonicalize_symtab (ibfd, symbol_table);

45  

46         printf('Scanning %ld symbolsn', number_of_symbols);

47         for(i=0;i48         {

49                 if (symbol_table[i]->section==NULL) continue;

50                 

51                 bfd_symbol_info(symbol_table[i], &symbolinfo);

52                 if (strcmp(name, symbolinfo.name))  continue;

53  

54                 printf('Section %s  ', symbol_table[i]->section->name);

55                 printf('Symbol '%s'  value 0x%lxn', symbolinfo.name, symbolinfo.value);

56         }

57 }

58  

59 int main()

60 {

61     char our_self_path[1024];

62     bfd *ibfd;

63     char **matching;

64  

65     asection *psection;

66  

67     bfd_init();

68  

69     get_self_path(our_self_path, sizeof(our_self_path));

70     printf('our elf file path:%sn', our_self_path);

71  

72     ibfd = bfd_openr(our_self_path, NULL);

73     bfd_check_format_matches(ibfd, bfd_object, &matching);

74  

75     printf('number of sections = %dn', bfd_count_sections(ibfd));

76  

77     /* 遍历所有 section，让 section_proc 对每一个 section 进行处理 */

78     bfd_map_over_sections(ibfd, section_proc, NULL);

79  

80     /* 查找特定名称的 section ，打印出其信息 */

81     psection = bfd_get_section_by_name(ibfd, 'my_test_sec');

82     printf('section name=%s; start_address=0x%lx; size=%ldn', psection->name, psection->vma, psection->size);

83  

84     /* 打印出my_test_sec section中的 3 个 uint64_t 变量的值 */

85     {

86         uint64_t *pu64 = (void *) psection->vma;

87         printf('%lu %lu %lu n', pu64[0], pu64[1], pu64[2]);

88     }

89  

90     printf('address of a_haha=%pn', &a_haha);

91  

92     /* 遍历所有符号，以找出名称为 a_haha 的符号 */

93     search_a_given_symbol(ibfd, 'a_haha');

94     return 0;

95 }

 

编译：gcc test.c -lbfd -liberty -ldl -lz

执行如下：

1.3.11 libiberty

包含多个 GNU 程序会使用的途径，包括 getopt、obstack、strerror、strtol 和 strtoul。