用Python編寫(xiě)分析Python程序性能的工具的教程
雖然并非你編寫(xiě)的每個(gè) Python 程序都要求一個(gè)嚴(yán)格的性能分析,但是讓人放心的是,當(dāng)問(wèn)題發(fā)生的時(shí)候,Python 生態(tài)圈有各種各樣的工具可以處理這類(lèi)問(wèn)題。
分析程序的性能可以歸結(jié)為回答四個(gè)基本問(wèn)題:
- 正運(yùn)行的多快
- 速度瓶頸在哪里
- 內(nèi)存使用率是多少
- 內(nèi)存泄露在哪里
下面,我們將用一些神奇的工具深入到這些問(wèn)題的答案中去。
用 time 粗粒度的計(jì)算時(shí)間
讓我們開(kāi)始通過(guò)使用一個(gè)快速和粗暴的方法計(jì)算我們的代碼:傳統(tǒng)的 unix time 工具。
$ time python yourprogram.py real 0m1.028s user 0m0.001s sys 0m0.003s
三個(gè)輸出測(cè)量值之間的詳細(xì)意義在這里 stackoverflow article,但簡(jiǎn)介在這:
- real — 指的是實(shí)際耗時(shí)
- user — 指的是內(nèi)核之外的 CPU 耗時(shí)
- sys — 指的是花費(fèi)在內(nèi)核特定函數(shù)的 CPU 耗時(shí)
你會(huì)有你的應(yīng)用程序用完了多少 CPU 周期的即視感,不管系統(tǒng)上其他運(yùn)行的程序添加的系統(tǒng)和用戶時(shí)間。
如果 sys 和 user 時(shí)間之和小于 real 時(shí)間,然后你可以猜測(cè)到大多數(shù)程序的性能問(wèn)題最有可能與 IO wait 相關(guān)。
用 timing context 管理器細(xì)粒度的計(jì)算時(shí)間
我們下一步的技術(shù)包括直接嵌入代碼來(lái)獲取細(xì)粒度的計(jì)時(shí)信息。下面是我進(jìn)行時(shí)間測(cè)量的代碼的一個(gè)小片段
timer.py
import time class Timer(object): def __init__(self, verbose=False): self.verbose = verbose def __enter__(self): self.start = time.time() return self def __exit__(self, *args): self.end = time.time() self.secs = self.end - self.start self.msecs = self.secs * 1000 # millisecs if self.verbose: print 'elapsed time: %f ms' % self.msecs
為了使用它,使用 Python 的 with 關(guān)鍵字和 Timer 上下文管理器來(lái)包裝你想計(jì)算的代碼。當(dāng)您的代碼塊開(kāi)始執(zhí)行,它將照顧啟動(dòng)計(jì)時(shí)器,當(dāng)你的代碼塊結(jié)束的時(shí)候,它將停止計(jì)時(shí)器。
這個(gè)代碼片段示例:
from timer import Timer from redis import Redis rdb = Redis() with Timer() as t: rdb.lpush("foo", "bar") print "=> elasped lpush: %s s" % t.secs with Timer() as t: rdb.lpop("foo") print "=> elasped lpop: %s s" % t.secs
為了看看我的程序的性能隨著時(shí)間的演化的趨勢(shì),我常常記錄這些定時(shí)器的輸出到一個(gè)文件中。
使用 profiler 逐行計(jì)時(shí)和分析執(zhí)行的頻率
羅伯特·克恩有一個(gè)不錯(cuò)的項(xiàng)目稱為 line_profiler , 我經(jīng)常使用它來(lái)分析我的腳本有多快,以及每行代碼執(zhí)行的頻率:
為了使用它,你可以通過(guò)使用 pip 來(lái)安裝它:
pip install line_profiler
安裝完成后,你將獲得一個(gè)新模塊稱為 line_profiler 和 kernprof.py 可執(zhí)行腳本。
為了使用這個(gè)工具,首先在你想測(cè)量的函數(shù)上設(shè)置 @profile 修飾符。不用擔(dān)心,為了這個(gè)修飾符,你不需要引入任何東西。kernprof.py 腳本會(huì)在運(yùn)行時(shí)自動(dòng)注入你的腳本。
primes.py
@profile def primes(n): if n==2: return [2] elif n<2: return [] s=range(3,n+1,2) mroot = n ** 0.5 half=(n+1)/2-1 i=0 m=3 while m <= mroot: if s[i]: j=(m*m-3)/2 s[j]=0 while j<half: s[j]=0 j+=m i=i+1 m=2*i+3 return [2]+[x for x in s if x] primes(100)
一旦你得到了你的設(shè)置了修飾符 @profile 的代碼,使用 kernprof.py 運(yùn)行這個(gè)腳本。
kernprof.py -l -v fib.py
-l 選項(xiàng)告訴 kernprof 把修飾符 @profile 注入你的腳本,-v 選項(xiàng)告訴 kernprof 一旦你的腳本完成后,展示計(jì)時(shí)信息。這是一個(gè)以上腳本的類(lèi)似輸出:
Wrote profile results to primes.py.lprof Timer unit: 1e-06 s File: primes.py Function: primes at line 2 Total time: 0.00019 s Line # Hits Time Per Hit % Time Line Contents ============================================================== 2 @profile 3 def primes(n): 4 1 2 2.0 1.1 if n==2: 5 return [2] 6 1 1 1.0 0.5 elif n<2: 7 return [] 8 1 4 4.0 2.1 s=range(3,n+1,2) 9 1 10 10.0 5.3 mroot = n ** 0.5 10 1 2 2.0 1.1 half=(n+1)/2-1 11 1 1 1.0 0.5 i=0 12 1 1 1.0 0.5 m=3 13 5 7 1.4 3.7 while m <= mroot: 14 4 4 1.0 2.1 if s[i]: 15 3 4 1.3 2.1 j=(m*m-3)/2 16 3 4 1.3 2.1 s[j]=0 17 31 31 1.0 16.3 while j<half: 18 28 28 1.0 14.7 s[j]=0 19 28 29 1.0 15.3 j+=m 20 4 4 1.0 2.1 i=i+1 21 4 4 1.0 2.1 m=2*i+3 22 50 54 1.1 28.4 return [2]+[x for x
尋找 hits 值比較高的行或是一個(gè)高時(shí)間間隔。這些地方有最大的優(yōu)化改進(jìn)空間。
它使用了多少內(nèi)存?
現(xiàn)在我們掌握了很好我們代碼的計(jì)時(shí)信息,讓我們繼續(xù)找出我們的程序使用了多少內(nèi)存。我們真是非常幸運(yùn), Fabian Pedregosa 仿照 Robert Kern 的 line_profiler 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)很好的內(nèi)存分析器 [memory profiler][5]。
首先通過(guò) pip 安裝它:
$ pip install -U memory_profiler $ pip install psutil
在這里建議安裝 psutil 是因?yàn)樵摪芴嵘?memory_profiler 的性能。
想 line_profiler 一樣, memory_profiler 要求在你設(shè)置 @profile 來(lái)修飾你的函數(shù):
@profile def primes(n): ... ...
運(yùn)行如下命令來(lái)顯示你的函數(shù)使用了多少內(nèi)存:
$ python -m memory_profiler primes.py
一旦你的程序退出,你應(yīng)該可以看到這樣的輸出:
Filename: primes.py
Line # Mem usage Increment Line Contents ============================================== 2 @profile 3 7.9219 MB 0.0000 MB def primes(n): 4 7.9219 MB 0.0000 MB if n==2: 5 return [2] 6 7.9219 MB 0.0000 MB elif n<2: 7 return [] 8 7.9219 MB 0.0000 MB s=range(3,n+1,2) 9 7.9258 MB 0.0039 MB mroot = n ** 0.5 10 7.9258 MB 0.0000 MB half=(n+1)/2-1 11 7.9258 MB 0.0000 MB i=0 12 7.9258 MB 0.0000 MB m=3 13 7.9297 MB 0.0039 MB while m <= mroot: 14 7.9297 MB 0.0000 MB if s[i]: 15 7.9297 MB 0.0000 MB j=(m*m-3)/2 16 7.9258 MB -0.0039 MB s[j]=0 17 7.9297 MB 0.0039 MB while j<half: 18 7.9297 MB 0.0000 MB s[j]=0 19 7.9297 MB 0.0000 MB j+=m 20 7.9297 MB 0.0000 MB i=i+1 21 7.9297 MB 0.0000 MB m=2*i+3 22 7.9297 MB 0.0000 MB return [2]+[x for x in s if x]
line_profiler 和 memory_profiler 的 IPython 快捷命令
line_profiler 和 memory_profiler 一個(gè)鮮為人知的特性就是在 IPython 上都有快捷命令。你所能做的就是在 IPython 上鍵入以下命令:
%load_ext memory_profiler %load_ext line_profiler
這樣做了以后,你就可以使用魔法命令 %lprun 和 %mprun 了,它們表現(xiàn)的像它們命令行的副本,最主要的不同就是你不需要給你需要分析的函數(shù)設(shè)置 @profile 修飾符。直接在你的 IPython 會(huì)話上繼續(xù)分析吧。
In [1]: from primes import primes In [2]: %mprun -f primes primes(1000) In [3]: %lprun -f primes primes(1000)
這可以節(jié)省你大量的時(shí)間和精力,因?yàn)槭褂眠@些分析命令,你不需要修改你的源代碼。
哪里內(nèi)存溢出了?
cPython的解釋器使用引用計(jì)數(shù)來(lái)作為它跟蹤內(nèi)存的主要方法。這意味著每個(gè)對(duì)象持有一個(gè)計(jì)數(shù)器,當(dāng)增加某個(gè)對(duì)象的引用存儲(chǔ)的時(shí)候,計(jì)數(shù)器就會(huì)增加,當(dāng)一個(gè)引用被刪除的時(shí)候,計(jì)數(shù)器就是減少。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到0, cPython 解釋器就知道該對(duì)象不再使用,因此解釋器將刪除這個(gè)對(duì)象,并且釋放該對(duì)象持有的內(nèi)存。
內(nèi)存泄漏往往發(fā)生在即使該對(duì)象不再使用的時(shí)候,你的程序還持有對(duì)該對(duì)象的引用。
最快速發(fā)現(xiàn)內(nèi)存泄漏的方式就是使用一個(gè)由 Marius Gedminas 編寫(xiě)的非常好的稱為 [objgraph][6] 的工具。
這個(gè)工具可以讓你看到在內(nèi)存中對(duì)象的數(shù)量,也定位在代碼中所有不同的地方,對(duì)這些對(duì)象的引用。
開(kāi)始,我們首先安裝 objgraph
pip install objgraph
一旦你安裝了這個(gè)工具,在你的代碼中插入一個(gè)調(diào)用調(diào)試器的聲明。
import pdb; pdb.set_trace()
哪個(gè)對(duì)象最常見(jiàn)
在運(yùn)行時(shí),你可以檢查在運(yùn)行在你的程序中的前20名最普遍的對(duì)象
(pdb) import objgraph (pdb) objgraph.show_most_common_types() MyBigFatObject 20000 tuple 16938 function 4310 dict 2790 wrapper_descriptor 1181 builtin_function_or_method 934 weakref 764 list 634 method_descriptor 507 getset_descriptor 451 type 439
哪個(gè)對(duì)象被增加或是刪除了?
我們能在兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間看到哪些對(duì)象被增加或是刪除了。
(pdb) import objgraph (pdb) objgraph.show_growth() . . . (pdb) objgraph.show_growth() # this only shows objects that has been added or deleted since last show_growth() call traceback 4 +2 KeyboardInterrupt 1 +1 frame 24 +1 list 667 +1 tuple 16969 +1
這個(gè)泄漏對(duì)象的引用是什么?
繼續(xù)下去,我們還可以看到任何給定對(duì)象的引用在什么地方。讓我們以下面這個(gè)簡(jiǎn)單的程序舉個(gè)例子。
x = [1] y = [x, [x], {"a":x}] import pdb; pdb.set_trace()
為了看到持有變量 X 的引用是什么,運(yùn)行 objgraph.show_backref() 函數(shù):
(pdb) import objgraph (pdb) objgraph.show_backref([x], filename="/tmp/backrefs.png")
該命令的輸出是一個(gè) PNG 圖片,被存儲(chǔ)在 /tmp/backrefs.png,它應(yīng)該看起來(lái)像這樣:
backrefs (1)
盒子底部有紅色字體就是我們感興趣的對(duì)象,我們可以看到它被符號(hào) x 引用了一次,被列表 y 引用了三次。如果 x 這個(gè)對(duì)象引起了內(nèi)存泄漏,我們可以使用這種方法來(lái)追蹤它的所有引用,以便看到為什么它沒(méi)有被自動(dòng)被收回。
回顧一遍,objgraph 允許我們:
- 顯示占用 Python 程序內(nèi)存的前 N 個(gè)對(duì)象
- 顯示在一段時(shí)期內(nèi)哪些對(duì)象被增加了,哪些對(duì)象被刪除了
- 顯示我們腳本中獲得的所有引用
Effort vs precision
在這篇文章中,我展示了如何使用一些工具來(lái)分析一個(gè)python程序的性能。通過(guò)這些工具和技術(shù)的武裝,你應(yīng)該可以獲取所有要求追蹤大多數(shù)內(nèi)存泄漏以及在Python程序快速識(shí)別瓶頸的信息。
和許多其他主題一樣,運(yùn)行性能分析意味著要在付出和精度之間的平衡做取舍。當(dāng)有疑問(wèn)是,用最簡(jiǎn)單的方案,滿足你當(dāng)前的需求。
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