Linux 效能分析工具: Perf - NCKU 2016
- 準備 GNU/Linux 開發工具
- 學習使用 Git 與 GitHub
- 學習效能分析工具
- 研究軟體最佳化
標注須知
下方只要是 $ 開頭,就表示在 GNU/Linux 的終端機裡面輸入的指令,比方說 $
sudo apt-get update
,就表示要輸入 sudo apt-get update。
預先準備動作
安裝 GNU/Linux,建議安裝 Lubuntu 15.10 (64-bit) 注意: 不要透過虛擬機器,而是用多重開機直接裝在實體機器的硬碟中,記得先切割好硬碟 安裝相關開發工具
$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install build-essential
$ sudo apt-get install linux-tools-common linux-tools-generic
$ sudo apt-get install astyle colordiff gnuplot
關於 GNU/Linux 指令,請參閱 鳥哥的 Linux 私房菜 本系列課程全程使用 GNU/Linux,全世界有十幾億臺裝置內建 Linux 系統,學習 Linux 是相當划算的投資!
- 熟悉 Git 和 GitHub 操作
- 30 天精通 Git 版本控管
Linux 效能分析工具: Perf
Perf 全名是 Performance Event,是在 Linux 2.6.31 以後內建的系統效能分析工具,它隨著核心一併釋出。藉由 perf,應用程式可以利用 PMU (Performance Monitoring Unit), tracepoint 和核心內部的特殊計數器 (counter) 來進行統計,另外還能同時分析運行中的核心程式碼,從而更全面瞭解應用程式中的效能瓶頸 詳細閱讀 Linux 效能分析工具: Perf 並在自己的 Linux 開發環境實驗
案例探討:電話簿搜尋
- 詳細閱讀 案例分析: Phone Book,研究降低 cache miss 的方法
- 雖然這是探討 cache miss 和效能議題,其實是帶著同學重新複習 C 語言和資料結構。以前大家只是「背誦心法」,從來就不會去理解個別資料結構對整體的衝擊。
- 抓取和測試程式
- 自 GitHub 取得作業程式碼 (基礎)
$ git clone https://github.com/embedded2016/phonebook $ cd phonebook
- 編譯
make
- 測試。當看到 [sudo] password for 字樣時,輸入自己的 Linux 使用帳號密碼
$ make run
- 參考輸出: (按下 Ctrl-C 可以離開畫面)
size of entry : 136 bytes execution time of append() : 0.043859 sec execution time of findName() : 0.004776 sec
- 自 GitHub 取得作業程式碼 (基礎)
- 透過 gnuplot 建立執行時間的圖表 (保持耐心等待,中間過程不要切換視窗)
$ make plot
- 正確執行後,目錄裡頭會有個名為 runtime.png,可用 eog runtime.png 命令來觀看
善用 gnuplot 來製圖
- 從今天起忘記 Microsoft Excel,因為 gnuplot 可以給你更專業的圖表,而且能夠批次產生
- 先啟動 gnuplot:
$ gnuplot
- gnuplot 啟動後,需要做一些必要設定,例如設定圖片名稱,XY軸的資訊等等:
> set title 'my plot' @設定圖片名稱
> set xlabel 'x axis' @設定XY軸座標名稱
> set ylabel 'y axis'
> set terminal png @設定輸出格式為 .png
> set output 'output_plot.png' @設定輸出檔名
> plot [1:10][0:1] sin(x) @畫出 sin(x) 函式,x軸座標範圍1 ~ 10, y軸座標範圍0 ~ 1
- 可以將這些設定另外存成一個檔案,作為 gnuplot 的腳本。假設上述指令存在一個名為 plot 的檔案裡面,以後只要輸入
gnuplot plot
即可畫出我們想要的圖表。
使用 astyle + Git 實做自動程式碼排版檢查
- 使用一致的 coding style 很重要,我們可透過 astyle 這個工具來協助。調整作業程式要求的風格為以下:
$ astyle --style=kr --indent=spaces=4 --indent-switches --suffix=none *.[ch]
- 你可以想像 Apple 和 Google 的工程師隨便安置程式碼,然後不用管合作的議題嗎?
- 即便一個人寫作業,其實是三人的參與:過去的你、現在的你,以及未來的你
安裝 Git pre-commit hook 可在每次 git commit 時,檢查 C/C++ 原始程式碼的風格是否一致:
$ ln -sf ../../scripts/pre-commit.hook .git/hooks/pre-commit
- 我們介紹 Git hooks 是為了日後銜接 Continuous integration (CI),專業程式設計必備的準備工作
- 任何人都可以寫出機器看得懂的程式碼 (在檔案總管裡面對 EXE 檔複製貼上即可),但我們之所以到資訊工程系接受訓練,為了寫出人看得懂、可持續維護和改進的程式
下圖展示 Git pre-commit hook 偵測到開發者的修改並未遵守一致的 coding style,主動回報並提醒開發者:
作業要求
在 GitHub 上 fork phonebook,然後適度修改 phonebook_opt.c 和 phonebook_opt.h 兩個檔案,使得這兩者執行時期的 cache miss 降低。請用 perf 驗證,而且改進的過程中,不能有功能方面的減損。
- phonebook_orig.[ch] 不需要修改,我們關注的是 phonebook_opt.[ch],當然要修改 main.c 也是允許的
- findName() 的時間必須原本的時間更短
- append() 的時間可以比原始版本稍久,但不應該增加太多
- main.c 應該只有一份,不要建立新的 main(),善用 Makefile 定義對應的 CFLAGS
- 在執行程式(phonebook_orig 和 phonebook_opt) 前,先清空 cache:
$ echo 1 | sudo tee /proc/sys/vm/drop_caches
除了修改程式,也要編輯 Hackpad 下方「作業區」,增添開發紀錄和 GitHub 連結
- 至少要列出效能分析,以及充份說明你如何改善效能
更新 Hackpad 後,還要寄信通知授課教師和助教
- 寄件到 embedded.master2015@gmail.com
- 標題: “[NCKU/embedded]” 開頭,後面加學號與姓名 ([NCKU/embedded], 學號, - 姓名之間要有空白)
- 內容:(回答以下問題)
- GitHub 帳號, wiki 帳號 (註冊本站)
- 關於 fork 出來的 repository 修改描述
- 附上一份自我介紹和對課程的期許
- 務必使用 astyle 來對程式碼進行排版,詳細使用方式見 README.md
- 可能的效能改進方向:
- 改寫 struct __PHONE_BOOK_ENTRY 的成員,搬動到新的結構中
- 使用 hash function 來加速查詢
- 既然 first name, last name, address 都是合法的英文 (可假設成立),使用字串壓縮的演算法,降低資料表示的成本
- 使用 binary search tree 改寫演算法
- 截止日期:
- Mar 6, 2016 (含) 之前
- 越早在 GitHub 上有動態、越早接受 code review,評分越高
挑戰題
- 除了降低 findName() 的 cache miss 與執行成本,append() 也該想辦法縮減時間
- 建立 phone book 時,既然 lastName 是索引值,可以優先建立搜尋表格,其他資料可稍後再補上
- 用 PThread 建立 manager/worker thread model
- 支援 fuzzy search,允許搜尋 lastName 時,不用精準打出正確的寫法
- 比方說電話簿有一筆資料是 McDonald,但若使用者輸入 MacDonald 或 McDonalds,也一併檢索出來
- 延伸閱讀: Levenshtein Distance (編輯距離)
- 改善電話簿的效能分析,透過大量的重複執行,找出 95% - 信賴區間,而且允許動態新增資料 (較符合現實) 和查詢 以 gnuplot 繪製效能分析圖表