C++代码性能分析：为初学者找出瓶颈

引言：为什么对C++代码进行性能分析很重要？

C++是最快的编程语言之一，但即使使用它，你也可能写出慢速代码。开发者常常凭直觉花费数小时优化程序中并非关键的部分。性能分析是一种科学的优化方法：你测量程序在哪些地方花费了最多时间，然后有针对性地改进这些地方。

对于C++编程初学者来说，性能分析可能看起来很复杂，但实际上，基本工具一个晚上就能掌握。在本文中，我们将介绍三种流行的工具：gprof、perf和Valgrind，并学习如何解读它们的结果。

什么是性能分析？有哪些方法？

性能分析是在程序运行期间收集其行为数据的过程。主要有两种方法：

• 插桩式性能分析——在程序代码中添加特殊的“探针”（例如gprof）。缺点：会减慢程序执行速度。
• 采样式性能分析——每隔固定时间间隔“窥视”程序，记录当前正在执行的函数（例如perf）。几乎不降低程序速度。

还有用于查找内存泄漏（Valgrind）和缓存分析的工具。刚开始，掌握gprof和perf就足够了。

工具1：gprof——经典性能分析器

gprof是GCC内置的性能分析器。它分两步工作：数据收集和数据分析。

如何使用gprof

首先，使用-pg标志编译程序：

g++ -pg -o my_program my_program.cpp

运行程序：

./my_program

执行后，会生成一个gmon.out文件。现在运行gprof：

gprof my_program gmon.out > report.txt

打开report.txt并查看表格：

Flat profile:Each sample counts as 0.01 seconds.  %   cumulative   self              self     total time   seconds   seconds    calls  ms/call  ms/call  name 60.00      0.06     0.06    10000     0.01     0.01  slow_function 30.00      0.09     0.03     5000     0.01     0.02  medium_function 10.00      0.10     0.01        1    10.00    10.00  main

在% time列中，显示了函数占用时间的百分比。在我们的示例中，slow_function是优化的主要候选对象。

提示：对于小型程序，gprof非常适用。对于大型项目，由于编译器优化，它可能提供不准确的数据。

工具2：perf——Linux上强大的采样器

perf是内置于Linux内核的性能分析器。它采用采样方法，几乎不降低程序速度。非常适合生产系统。

perf的基本用法

使用调试符号（-g标志）编译程序：

g++ -g -o my_program my_program.cpp

启动性能分析：

perf record ./my_program

程序运行结束后，查看报告：

perf report

你会看到一个交互式界面。点击一个函数，可以查看哪些代码行执行得最频繁。输出示例：

Samples: 1K of event 'cycles'Event count (approx.): 250000000Overhead  Command      Shared Object     Symbol  45.32%  my_program   my_program        [.] slow_function  30.15%  my_program   my_program        [.] medium_function  12.50%  my_program   libc-2.31.so      [.] malloc   8.03%  my_program   my_program        [.] main

重要提示：perf需要root权限才能收集内核数据