编程新手该如何调优程序？程序员必备性能调优利器——火焰图 _编程

本文主要分享火焰图使用技巧，介绍 systemtap 的原理机制，如何使用火焰图快速定位性能问题原因，同时加深对 systemtap 的理解。

让我们回想一下，曾经作为编程新手的我们是如何调优程序的？通常是在没有数据的情况下依靠主观臆断来瞎蒙，稍微有些经验的同学则会对差异代码进行二分或者逐段调试。这种定位问题的方式不仅耗时耗力，而且还不具有通用性，当遇到其他类似的性能问题时，需要重复踩坑、填坑，那么如何避免这种情况呢？
俗语有曰：兵欲善其事必先利其器，个人认为，程序员定位性能问题也需要一件“利器” 。如同医生给病人看病，需要依靠专业的医学工具（比如 X 光片、听诊器等）进行诊断，最后依据医学工具的检验结果快速精准的定位出病因所在。性能调优工具（比如 perf / gprof 等）之于性能调优就像 X 光之于病人一样，它可以一针见血的指出程序的性能瓶颈。
但是常用的性能调优工具 perf 等，在呈现内容上只能单一的列出调用栈或者非层次化的时间分布，不够直观。这里我推荐大家配合使用火焰图，它将 perf 等工具采集的数据呈现得更为直观。
初识火焰图火焰图（Flame Graph）是由 linux 性能优化大师 Brendan Gregg 发明的，和所有其他的 profiling 方法不同的是，火焰图以一个全局的视野来看待时间分布，它从底部往顶部，列出所有可能导致性能瓶颈的调用栈。

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火焰图整个图形看起来就像一个跳动的火焰，这就是它名字的由来。
火焰图有以下特征（这里以 on-cpu 火焰图为例）：

每一列代表一个调用栈，每一个格子代表一个函数
纵轴展示了栈的深度，按照调用关系从下到上排列。最顶上格子代表采样时，正在占用 cpu 的函数。
横轴的意义是指：火焰图将采集的多个调用栈信息，通过按字母横向排序的方式将众多信息聚合在一起。需要注意的是它并不代表时间。
横轴格子的宽度代表其在采样中出现频率，所以一个格子的宽度越大，说明它是瓶颈原因的可能性就越大。
火焰图格子的颜色是随机的暖色调，方便区分各个调用信息。
其他的采样方式也可以使用火焰图， on-cpu 火焰图横轴是指 cpu 占用时间，off-cpu 火焰图横轴则代表阻塞时间。
采样可以是单线程、多线程、多进程甚至是多 host，进阶用法可以参考附录进阶阅读。

火焰图类型常见的火焰图类型有 On-CPU，Off-CPU，还有 Memory，Hot/Cold，Differential 等等。他们分别适合处理什么样的问题呢？
这里笔者主要使用到的是 On-CPU、Off-CPU 以及 Memory 火焰图，所以这里仅仅对这三种火焰图作比较，也欢迎大家补充和斧正。

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火焰图分析技巧

纵轴代表调用栈的深度（栈桢数），用于表示函数间调用关系：下面的函数是上面函数的父函数。
横轴代表调用频次，一个格子的宽度越大，越说明其可能是瓶颈原因。
不同类型火焰图适合优化的场景不同，比如 on-cpu 火焰图适合分析 cpu 占用高的问题函数，off-cpu 火焰图适合解决阻塞和锁抢占问题。
无意义的事情：横向先后顺序是为了聚合，跟函数间依赖或调用关系无关；火焰图各种颜色是为方便区分，本身不具有特殊含义
多练习：进行性能优化有意识的使用火焰图的方式进行性能调优（如果时间充裕）

如何绘制火焰图？要生成火焰图，必须要有一个顺手的动态追踪工具，如果操作系统是 Linux 的话，那么通常通常是 perf 或者 systemtap 中的一种。其中 perf 相对更常用，多数 Linux 都包含了 perf 这个工具，可以直接使用；SystemTap 则功能更为强大，监控也更为灵活。网上关于如何使用 perf 绘制火焰图的文章非常多而且丰富，所以本文将以 SystemTap 为例。
SystemTap 是动态追踪工具，它通过探针机制，来采集内核或者应用程序的运行信息，从而可以不用修改内核和应用程序的代码，就获得丰富的信息，帮你分析、定位想要排查的问题。SystemTap 定义了一种类似的 DSL 脚本语言，方便用户根据需要自由扩展。不过，不同于动态追踪的鼻祖 DTrace ，SystemTap 并没有常驻内核的运行时，它需要先把脚本编译为内核模块，然后再插入到内核中执行。这也导致 SystemTap 启动比较缓慢，并且依赖于完整的调试符号表。