在Linux上，使用time優(yōu)雅的統(tǒng)計(jì)程序運(yùn)行時(shí)間

大家好，我是肖邦，這是我的第 16 篇原創(chuàng)文章。

最近在使用 time 命令時(shí)，無意間發(fā)現(xiàn)了一些隱藏的小秘密和強(qiáng)大功能，今天分享給大家。

time 在 Linux 下是比較常用的命令，可以幫助我們方便的計(jì)算程序的運(yùn)行時(shí)間，對(duì)比采用不同方案時(shí)程序的運(yùn)行性能?？此坪唵蔚拿睿鋵?shí)蘊(yùn)藏著很多細(xì)節(jié)和技巧，來跟著肖邦一起學(xué)習(xí)吧。

1 基礎(chǔ)用法詳解

先來看下最基礎(chǔ)的用法，也可能是大家最常見的用法了

root@chopin:~$ time find . -name "chopin.txt"
......
real   0m0.174s
user   0m0.084s
sys    0m0.084s

可以很清楚看到，find 命令執(zhí)行的時(shí)間為 0.174s，是不是很簡單，很方便呢

不過，time 命令輸出了三個(gè)參數(shù)，我們只用到了第一個(gè)參數(shù)，其它兩個(gè)參數(shù)代表什么含義呢？

這里我來解釋一下：

• real：表示的是墻上時(shí)間，說白了，其實(shí)就是從程序運(yùn)行開始到結(jié)束所經(jīng)歷的時(shí)間；
• user：表示程序運(yùn)行期間，cpu 在用戶態(tài)所花費(fèi)的時(shí)間；
• sys：表示程序運(yùn)行期間，cpu 在內(nèi)核態(tài)所花費(fèi)的時(shí)間；

細(xì)心的讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)，上述案例中的 user + sys 不等于 real，這是怎么回事呢？

其實(shí)上邊解釋的 user 和 sys，是 cpu 執(zhí)行指令所消耗的時(shí)間，并不包含：進(jìn)程阻塞 IO、調(diào)度排隊(duì)，這些非 cpu 運(yùn)行時(shí)間。

案例中 find 執(zhí)行查找文件過程中，會(huì)有磁盤 IO 讀取，這時(shí) cpu 會(huì)被釋放出來干別的事情，這些 IO 消耗的時(shí)間，是不包含在 user 和 sys 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，所以就出現(xiàn)了 real 時(shí)間大于 user + sys 了。

再通過一個(gè)示例來驗(yàn)證并加強(qiáng)我們的理解

root@chopin:~$ time sleep 2
real   0m2.001s
user   0m0.000s
sys    0m0.000s

可以清楚地看到，sleep 命令基本上沒有消耗 cpu，程序真實(shí)的運(yùn)行時(shí)間就是 2 秒

那我們是不是可以得出如下結(jié)論了呢:

real >= user + sys

其實(shí)這個(gè)結(jié)論在單個(gè) cpu 情況下，是正確的。

如果服務(wù)器是多個(gè) cpu，你的程序正好可以將多個(gè) cpu 充分利用起來，程序運(yùn)行期間是多核心并行的，那么 user + sys 統(tǒng)計(jì)的 cpu 時(shí)間可能就會(huì)大于 real 時(shí)間啦

所以這 3 個(gè)時(shí)間之間的關(guān)系并不是恒定的，你需要清楚的了解服務(wù)器是否為多個(gè)核心。

通過統(tǒng)計(jì)到的 cpu 消耗時(shí)間，我們也可以大概知道，程序運(yùn)行期間 cpu 利用情況。對(duì)于單核，計(jì)算密集型的程序，real 會(huì)很接近 user 和 sys 時(shí)間之和的。

Tips：有些同學(xué)可能對(duì)操作系統(tǒng)可能不太熟悉，這里簡單科普下內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的基本概念

Linux 為使系統(tǒng)更穩(wěn)定，采取了隔離保護(hù)的措施，運(yùn)行狀態(tài)分為內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)：

• 用戶態(tài)：用戶代碼不具備直接訪問底層資源的能力，需要借助內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用 API。在這種隔離保護(hù)下，即使用戶程序崩潰，也不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的功能。
• 內(nèi)核態(tài)：內(nèi)核代碼具備最大權(quán)限，可執(zhí)行任意 cpu 指令，不受任何限制。內(nèi)核態(tài)通常是操作系統(tǒng)提供的最底層、最可靠的代碼運(yùn)行的，內(nèi)核態(tài)的代碼崩潰是災(zāi)難性的，影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 你運(yùn)行的可能是假time

time 還有其它功能嗎？看一下幫助文檔吧

root@chopin:~$ time --help
--help: command not found
real 0m0.129s
user 0m0.084s
sys 0m0.036s

竟然報(bào)錯(cuò)，將 --help 當(dāng)成了命令來執(zhí)行了，難道 time 就這么點(diǎn)能耐嗎？

好吧，我也不賣關(guān)子了，直接說答案：你運(yùn)行的可能是假time。你可能有點(diǎn)懵逼，怎么就假的了。

其實(shí)在 Linux 系統(tǒng)上，使用 time 時(shí)，你可能會(huì)遇到三種版本：

# 1. Bash
time is a shell keyword
# 2. Zsh
time is a reserved word
# 3. GNU time
time is /usr/bin/time

我們當(dāng)前 Shell 是 Bash，可以通過 type 命令

root@chopin:~$ type time
time is a shell keyword

可以看到，我們剛才執(zhí)行的 time 是 Shell 的內(nèi)置命令，如果你用的是 zsh，默認(rèn)使用的 time 也是對(duì)應(yīng)內(nèi)置命令。

GNU time 命令路徑是 /usr/bin/time，一般的 Linux 發(fā)行版都帶有這個(gè)命令，它才是我們今天的豬腳。

3 更強(qiáng)大的功能

GNU time 命令提供了更強(qiáng)大的功能：

• 更詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)信息
• 更豐富的格式輸出
• 支持保存統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)到文件

下邊我們來學(xué)習(xí)寫 GNU time 的使用

1. 最簡單的用法

root@chopin:~$ /usr/bin/time sleep 2
0.00user 0.00system 0:02.00elapsed 0%CPU (0avgtext+0avgdata 1784maxresident)k
0inputs+0outputs (0major+72minor)pagefaults 0swaps

使用 GNU time 命令，直接使用絕對(duì)路徑即可，我們可以看到輸出信息更多了，不過格式有點(diǎn)丑，后邊會(huì)講如何自定義格式。

2. 保持內(nèi)置 time 的輸出樣式

有同學(xué)會(huì)問，能輸出內(nèi)置 Shell 那種的格式么？可以的，使用 -p 選項(xiàng)即可

root@chopin:~$ /usr/bin/time -p sleep 2
real 2.00
user 0.00
sys  0.00

3. 輸出更詳細(xì)的信息

還可以輸出更加詳細(xì)的信息，讓你對(duì)程序運(yùn)行信息一目了然。請使用 -v 選項(xiàng)

root@chopin:~$ /usr/bin/time -v sleep 2
Command being timed: "sleep 2"
User time (seconds): 0.00
System time (seconds): 0.00
Percent of CPU this job got: 0%
Elapsed (wall clock) time (h:mm:ss or m:ss): 0:02.00
Average shared text size (kbytes): 0
Average unshared data size (kbytes): 0
Average stack size (kbytes): 0
Average total size (kbytes): 0
Maximum resident set size (kbytes): 1804
Average resident set size (kbytes): 0
Major (requiring I/O) page faults: 0
Minor (reclaiming a frame) page faults: 71
Voluntary context switches: 1
Involuntary context switches: 1
Swaps: 0
File system inputs: 0
File system outputs: 0
Socket messages sent: 0
Socket messages received: 0
Signals delivered: 0
Page size (bytes): 4096
Exit status: 0

這里詳細(xì)介紹下 time 命令輸出各項(xiàng)指標(biāo)

（一）時(shí)間相關(guān)

（二）內(nèi)存相關(guān)

（三）IO 相關(guān)

4. 統(tǒng)計(jì)信息輸出到文件

如果你希望將 time 統(tǒng)計(jì)的信息輸出到文件，可以使用 -o 選項(xiàng)

root@chopin:~$ /usr/bin/time -v -o a.txt sleep 2

統(tǒng)計(jì)信息直接保存到了 a.txt，如果你希望統(tǒng)計(jì)信息能夠追加到文件，可以額外加 -a 選項(xiàng)

5. 自定義格式輸出

如果命令中內(nèi)置的輸出格式，不符合你的需求，GNU time 可以支持自定義輸出格式，通過選項(xiàng) -f 可以各種指標(biāo)參數(shù)

/usr/bin/time -f "real %e\nuser %U\nsys %S\n" sleep 1
real 1.00
user 0.00
sys  0.00

具體支持的格式，貼心的肖邦已經(jīng)幫你整理好了

這些格式參數(shù)太多了，平時(shí)大部分情況用不到，可以收藏起來，以便后期使用時(shí)可以快速參考。

4 在性能分析中的作用

看到這么多系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)，難免會(huì)有同學(xué)會(huì)感到疑惑，這些參數(shù)能干什么呀？

其實(shí)這些指標(biāo)，對(duì)應(yīng)到操作系統(tǒng) cpu、內(nèi)存、IO 這幾方面。深刻的理解了這些指標(biāo)參數(shù)，可以幫助你從本質(zhì)上把握程序的運(yùn)行情況，甚至可以協(xié)助你分析程序的性能瓶頸。

下邊我簡單解釋幾個(gè)概念，希望能起到拋磚引玉的作用。

（一）CPU 時(shí)間

cpu 時(shí)間包括：real、user、sys，當(dāng) user + sys >= real 時(shí)，說明該程序是計(jì)算密集型；當(dāng) user + sys 遠(yuǎn)小于 real 時(shí)，說明存在較多的 IO 等待。

（二）上下文切換

平時(shí)所說的上下文，是指進(jìn)程的運(yùn)行環(huán)境，包括當(dāng)時(shí)的寄存器值、內(nèi)存堆棧等信息，內(nèi)核可以根據(jù)上下文完全恢復(fù)一個(gè)被打斷的進(jìn)程任務(wù)。

當(dāng)執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用、進(jìn)程切換時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生上下文切換。切換上下文時(shí)，操作系統(tǒng)需要為進(jìn)程保存和恢復(fù)上下文信息。

上下文切換分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種，主動(dòng)上下文切換多，說明存在較多的阻塞調(diào)用；被動(dòng)上下文切換說明 cpu 使用率高。

當(dāng)上下文切換過多時(shí)，意味著較多的 cpu 時(shí)間花費(fèi)在上下文切換上，導(dǎo)致 cpu 處理進(jìn)程任務(wù)的有效時(shí)間大大減少。

（三）缺頁異常

次缺頁異常較多，說明程序的內(nèi)存布局相對(duì)合理，命中率高；當(dāng)主缺頁異常較多時(shí)，說明程序?qū)?nèi)存的訪問跳躍性大，命中率低。

處理缺頁異常和切換上下文的時(shí)間，不包含在 user 和 sys 中，當(dāng)發(fā)現(xiàn) user + sys 遠(yuǎn)小于 real 時(shí)，則很可能大部分時(shí)間都消耗在這些地方，需要重點(diǎn)分析這兩點(diǎn)。

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