自己动手写一个基于采样的函数热点分析工具

目标：

基于采样的方法，实现一个函数热点分析工具，可以统计函数执行占总时间的百分比，并排序。

采样方法：

中断定时检测当前执行地址；
查询符号表得到函数名i；
在采样计数器H[i]上加1；
收集每个函数采样次数；
计算每个函数执行百分比；

实现：

定时：

由于需要的定时精度较高，常用的alarm定时器不能满足要求。这里使用ITIMER_REAL 类型的setitimer定时器，该定时器以系统真实的时间来计算，计时完成后发出SIGALRM信号。然后利用sigaction函数将采样函数与SIGALRM信号相关联，这样当定时时间到时，会自动采样。

检测执行地址：

采样过程利用libunwind库检测执行地址（编译时加入libunwind库，如gcc *.c -o unw -lunwind -lunwind-x86_64），而且该库本身具备查询符号表的功能，可以调用api获得函数名。获得各函数被采样到的次数后，采用冒泡排序将次数从大到小排列。

libunwind安装：

$ git clone https://github.com/libunwind/libunwind.git
$ cd libunwind
$ ./autogen.sh
$ CFLAGS=-fPIC ./configure 
$ make CFLAGS=-fPIC 
$ make CFLAGS=-fPIC install

注意autogen运行需要autoreconf支持，安装方法：

$ sudo apt-get install autoconf automake libtool

程序计时：

同时利用gettimeofday函数记录程序运行时间。在被测程序开始处插入采样函数，在被测程序结尾插入打印采样结果函数。

被测程序包含3个子函数：a()、b()、c()，每个子函数均由一定数量的for循环构成，循环次数依次为：60000000、20000000、80000000，这些子函数在主函数中分布被调用10次，并且主函数包含一个2400000000次的for循环。因此，可以初步判断四个函数的时间比main():a():b():c()大约为6:15:4:20，换算为百分比为13：33： 9：44。

效果：

程序输出结果包含5部分，其中，sample frequency表示采样频率，running time表示被测程序总运行时间，单位为毫秒，rtime表示各函数执行时间占总时间的百分比，atime表示各函数执行的绝对时间，单位为毫秒，以及函数名称。

下图是采样频率为100Hz的结果。

与gprof做对比，一般linux系统都自带gprof工具，使用gprof需要在gcc编译时加入-pg选项，然后正常运行程序会输出一个gmon.out，用gprof查看即可，以名为main的程序为例：

$ gcc main.c -pg -o main 
$ ./main
$ gprof main

除此以外，gprof还提供了调用次数，每次调用的时间等结果，而且还输出了被测程序的函数调用图.

另外，再介绍使用汇编语言获取堆栈指针sp和程序计数器pc的方法:

sp:

uint64_t getsp( void )
{
	__asm__ ("movq %rsp, %rax");
}

printf("program counter : %p\n", *(int*)(getsp()));

"movq %rsp, %rax"将rsp寄存器的内容传入rax寄存器作为返回值，如果查看上一个被压入栈的指令地址，需要返回值加上8。

printf("program counter : %p\n", *(int*)(getsp() + 8));

pc：

void* get_pc()
{
    return __builtin_return_address(0); 
 }
printf("program counter: %p\n", get_pc());

__builtin_return_address用来判断给定函数的调用者。原型为：

void * __builtin_return_address( unsigned int level );

参数LEVEL决定调用栈的偏移位置：0则返回当前函数的返回地址，1返回调用当前函数的函数的返回地址；以此类推，2，3（只有四个常量值）

参考：

[1] linux系统编程之信号（四）：信号的捕捉与sigaction函数. https://blog.csdn.net/jnu_simba/article/details/8947410

[2] Linux定时器使用. http://www.cnblogs.com/youxin/p/4324366.html

[3] 栈调用关系跟踪. http://blog.chinaunix.net/uid-24774106-id-3457205.html

完整代码见：https://github.com/wangshuaizs/tools/tree/master/hotspot%20analysis%20tool