分析系統與程序的運作#

當除錯效能問題時，首先（通常也是唯一需要的）就是對系統運作進行 profiling。這會分析系統的資源使用率（resource utilization），從而指向有問題或需要最佳化的部分。

從高層級概觀開始#

使用程序檢視工具獲取系統的 CPU 和記憶體使用概觀：

• Unix：top 命令
• Windows：Task Manager

根據觀察結果判斷瓶頸方向：

• 高 CPU 使用率（例如單核心 90%）：集中分析處理邏輯
• 低 CPU 使用率（例如單核心 10%）：可能是 I/O 延遲造成的

多核心電腦通常報告的是所有核心的總負載。如果處理的是單執行緒程序，需要將閾值除以 CPU 核心總數。例如八核心系統上，一個程序佔滿單核心會顯示為 12%（100%/8）。

檢查記憶體與飽和度#

• 記憶體使用率接近 100% 可能導致記憶體分配失敗或因 virtual memory paging 導致效能下降
• Linux 系統會積極使用可用記憶體作為 buffer cache，因此應將 buffers 加入你認為的可用記憶體量中
• 對於設計在接近最大容量運行的系統，需要關注 saturation（飽和度）——超過資源可服務水平的需求量

各資源的飽和度指標#

• CPU：load 高於核心數（Unix）或 Performance Monitor 的 Processor Queue Length（Windows）
• 記憶體：virtual memory pages 被寫出到磁碟的速率
• 網路 I/O：丟棄的封包和重傳次數
• 儲存 I/O：請求佇列長度和操作延遲

深入分析問題程序#

確定哪個程序有問題後，進一步 profiling 其行為：

CPU profiling 工具：

• Statistical profiler：定期中斷程式執行，記錄程式在哪裡花費最多時間
• Graph-based profiler：在每個函式的開頭和結尾插入計時器，建立呼叫圖
  • GCC 選項：-pg，檢視工具：gprof
• 行級別 profiling：GCC 選項 -fprofile-arcs 和 -ftest-coverage，檢視工具：gcov
• Java profiling：Eclipse/NetBeans profiler 外掛、VisualVM、JProfiler、Java Mission Control
• .NET profiling：CLR profiler

記憶體 profiling 工具：

• Valgrind（Unix）
• VisualVM 和 Java Mission Control（Java）

低層級效能監控：

• perf、oprofile、perfmon2 等工具可以監控 CPU 的 performance counters
• 可偵測 cache misses、missed branch predictions、instruction fetch stalls 等

AOP 工具：AspectJ、Spring AOP 可用於自訂監控

重點回顧#

• 透過檢查 CPU、I/O、記憶體使用率和飽和度來分析效能問題
• 透過 profiling 程序的 CPU 和記憶體使用情況，縮小與效能問題相關的程式碼範圍