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程序的“听诊器”——性能监视工具

听诊器是一种简单工具 ， 却给医生的工作带来了革命：它让内科医生能有效地监控病人的身体 。 性能监视工具（profiler）对程序起着同样的作用 。
你现在用什么工具来研究程序？复杂的分析系统很多 ， 既有交互式调试器 ， 又有程序动画系统 。 正如CT扫描仪永远代替不了听诊器一样 ， 复杂的软件也永远代替不了程序员用来监控程序的最简单工具——性能监视工具 ， 我们用它了解程序各部分的执行频率 。
本文先用两种性能监视工具来加速一个小程序（记住真正的目的是说明性能监视工具） 。 后续各节简要介绍性能监视工具的各种用途、非过程语言的性能监视工具 ， 以及开发性能监视工具的技术 。
1　计算素数程序P1是个ANSI标准C程序 ， 依次打印所有小于1000的素数 。
程序P1
int prime(int n){int i;999for (i = 2; i < n; i++)78022if(n%i == 0)831return 0;168return 1;}main(){int i, n；1n = 1000；1for (i = 2; i <= n; i++)999if (prime(i))168printf("%d\n", i);}如果整型参数n是素数 ， 上述prime函数返回1（真） ， 否则返回0 。 这个函数检验2到n-1之间的所有整数 ， 看其是否整除n 。 上述main过程用prime子程序来依次检查整数2～1000 ， 发现素数就打印出来 。
我像写任何一个C程序那样写好程序P1 ， 然后在性能监视选项下进行编译 。 在程序运行之后 ， 只要一个简单的命令就生成了前面所示的列表 。 （我稍微改变了一些输出的格式 。 ）每行左侧的数由性能监视工具生成 ， 用于说明相应的行执行了多少次 。 例如 ， main函数调用了1次 ， 其中测试了999个整数 ， 找出了168个素数 。 函数prime被调用了999次 ， 其中168次返回1 ， 另外831次返回0（快速验证：168+ 831=999） 。 prime函数共测试了78022个可能的因子 ， 或者说为了确定素数性 ， 对每个整数检查了大约78个因子 。
程序P1是正确的 ， 但是很慢 。 在VAX-11/750上 ， 计算出小于1000的所有素数约需几秒钟 ， 但计算出小于10 000的所有素数却需要3分钟 。 对这些计算的性能监视表明 ， 大多数时间花在了测试因子上 。 因而下一个程序只对n考虑不超过\sqrt n 的可能的整数因子 。 整型函数root先把整型参数转换成浮点型 ， 然后调用库函数sqrt ， 最后再把浮点型结果转换回整型 。 程序P2包含两个旧函数和这个新函数root 。
程序P2
int root(int n)5456{ return (int) sqrt((float) n);}int prime(int n){int i;999for (i = 2;　i < = root(n);　i++)5288if (n % i == 0)831return 0;168return 1;}main(){int i, n;1n = 1000;1for (i = 2;　i < = n;　i++)999if (prime(i))168printf("%d\n", i);}修改显然是有效的：程序P2的行计数显示 ， 只测试了5288个因子（程序P1的1/14） ， 总共调用了5456次root（测试了5288次整除性 ， 168次由于i超出了root(n)而终止循环） 。 不过 ， 虽然计数大大减少了 ， 但是程序P2运行了5.8秒 ， 而程序P1只运行了2.4秒（本节末尾的表中含有运行时间的更多细节） 。 这说明什么呢？
迄今为止 ， 我们只看到了行计数（line-count）性能监视 。 过程时间（procedure-time）性能监视给出了较少的控制流细节 ， 但更多地揭示了CPU时间：
%timecumsecs#callms/callname82.74.77_sqrt4.55.039990.26_prime4.35.2854560.05_root2.65.43_frexp1.45.51_ _doprnt1.25.57_write0.95.63mcount0.65.66_creat0.65.69_printf0.45.72125.00_main0.35.73_close0.35.75_exit0.35.77_isatty过程按照运行时间递减的顺序列出 。 时间上既显示出总秒数 ， 也显示出占总时间的百分比 。 编译后记录下源程序中main、prime和root这3个过程的调用次数 。 再次看到这几个计数是令人鼓舞的 。 其他过程没有性能监视的库函数 ， 完成各种输入/输出和清理维护工作 。 第4列说明了带语句计数的所有函数每次调用的平均毫秒数 。


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