一、需求背景

性能壓測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)某接口存在性能瓶頸，期望借助工具定位該瓶頸，最好能定位至具體慢方法。

二、cProfile 簡(jiǎn)介

cProfile 是 Python 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的一個(gè)模塊，用于對(duì) Python 程序進(jìn)行性能分析，它能輸出每個(gè)函數(shù)的調(diào)用次數(shù)、執(zhí)行耗時(shí)等詳細(xì)信息，可幫助開(kāi)發(fā)者識(shí)別程序中運(yùn)行緩慢的方法，以便進(jìn)行性能優(yōu)化，適合作為上述需求的解決方案。

此外，Python 還內(nèi)置了使用純 Python 實(shí)現(xiàn)的 profile 模塊，與 cProfile 功能一樣，只不過(guò) cProfile 是用 C 語(yǔ)言編寫，性能更高、開(kāi)銷更小，適合在性能敏感的環(huán)境（如線上生產(chǎn)環(huán)境）中使用。profile 是純 Python 實(shí)現(xiàn)的模塊，性能開(kāi)銷相對(duì)較大，但因其用 Python 編寫，易于理解和修改，適合學(xué)習(xí)時(shí)使用。

三、使用方法

cProfile 支持三種使用方法，一是硬編碼于代碼中；二是在 Python 應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)加載 cProfile 模塊；三是通過(guò) IDE（PyCharm）運(yùn)行。開(kāi)發(fā)環(huán)境建議采用方法三，因其簡(jiǎn)單易用且結(jié)果圖表豐富；生產(chǎn)環(huán)境建議采用方法二，此方法對(duì)代碼無(wú)侵入性。

1. 硬編碼于代碼中

示例代碼：

import cProfile

def my_function():
    # Some code to profile
    pass

profiler = cProfile.Profile()
profiler.enable()
my_function()
profiler.disable()
profiler.print_stats()

執(zhí)行結(jié)果：

2 function calls in 0.000 seconds

Ordered by: standard name

ncalls  tottime  percall  cumtime  percall filename:lineno(function)
    1    0.000    0.000    0.000    0.000 test.py:3(my_function)
    1    0.000    0.000    0.000    0.000 {method 'disable' of '_lsprof.Profiler' objects}

結(jié)果字段說(shuō)明：

ncalls：函數(shù)調(diào)用的次數(shù)。

tottime：在該函數(shù)中花費(fèi)的總時(shí)間，不包括調(diào)用子函數(shù)的時(shí)間。

percall：tottime 除以 ncalls。

cumtime：該函數(shù)及其所有子函數(shù)中花費(fèi)的總時(shí)間。

percall：cumtime 除以原始調(diào)用次數(shù)。

filename:lineno(function)：函數(shù)所在的文件名、行號(hào)和函數(shù)名。

2. 在 Python 應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)加載 cProfile 模塊

示例代碼：

python -m cProfile my_script.py # 方法一、將結(jié)果輸出至控制臺(tái)
python -m cProfile -o output.prof my_script.py # 方法二、將結(jié)果保存到指定的prof文件

可使用 snakeviz 插件（安裝方法為pip install snakeviz）分析 prof 文件。執(zhí)行snakeviz output.prof后，會(huì)將結(jié)果掛載到 web 容器中，支持通過(guò) URL（如http://127.0.0.1:8080/snakeviz/xxxoutput.prof）訪問(wèn)。

3. 通過(guò) IDE（PyCharm）運(yùn)行

使用方法：

通過(guò)菜單 [run] > [profile 'app']（其中 app 為應(yīng)用名稱，下同）啟動(dòng)應(yīng)用。待應(yīng)用執(zhí)行完畢且停止后，相關(guān)面板會(huì)輸出相應(yīng)的調(diào)用統(tǒng)計(jì)與調(diào)用鏈。

調(diào)用統(tǒng)計(jì)：

表頭“Name”表示被調(diào)用的模塊或函數(shù)；“Call Count”表示被調(diào)用次數(shù)；“Time (ms)”表示耗時(shí)及百分比，時(shí)間單位為毫秒。

點(diǎn)擊表頭列名可對(duì)該列進(jìn)行排序。

在調(diào)用統(tǒng)計(jì)中，選擇“name”列的單元格，右鍵選中“Navigate to Source”或“Show on Call Graph”，可打開(kāi)其源碼或?qū)?yīng)的調(diào)用鏈及位置。

調(diào)用鏈：

此外，通過(guò)菜單 [run] > [Concurrency Diagram 'app'] 啟動(dòng)程序，可查看到線程和異步協(xié)程（Asyncio）的調(diào)用情況，如下圖所示：

四、相關(guān)配置項(xiàng)

1. cProfile

[root@test bin]# python3 -m cProfile -h
Usage: cProfile.py [-o output_file_path] [-s sort] [-m module | scriptfile] [arg] ...

Options:
  -h, --help            show this help message and exit
  -o OUTFILE, --outfile=OUTFILE
                        Save stats to <outfile> #  將分析結(jié)果輸出到指定的文件中。
  -s SORT, --sort=SORT  Sort order when printing to stdout, based on pstats.Stats class # 指定輸出結(jié)果的排序方式?？梢愿鶕?jù)不同的字段進(jìn)行排序，如 time, cumulative, calls 等。
  -m                    Profile a library module # 分析一個(gè)模塊，而不是一個(gè)腳本文件 

2. snakeviz

[root@test bin]# snakeviz --help
usage: snakeviz [-h] [-v] [-H ADDR] [-p PORT] [-b BROWSER_PATH] [-s] filename

Start SnakeViz to view a Python profile.

positional arguments:
  filename              Python profile to view

options:
  -h, --help            show this help message and exit
  -v, --version         show program \`s version number and exit
  -H ADDR, --hostname ADDR hostname to bind to (default: 127.0.0.1) # 用于指定綁定的主機(jī)名，默認(rèn)值為 127.0.0.1，即本地主機(jī)。
  -p PORT, --port PORT  port to bind to; if this port is already in use a free port will be selected automatically (default: 8080) # 用于指定綁定的端口。如果指定的端口已被占用，程序?qū)⒆詣?dòng)選擇一個(gè)空閑端口。默認(rèn)值為 8080。
  -b BROWSER_PATH, --browser BROWSER_PATH  name of webbrowser to launch as described in the documentation of Python\'s webbrowser module: https://docs.python.org/3/library/webbrowser.html # 按照 Python 的 webbrowser 模塊的文檔描述，指定要啟動(dòng)的瀏覽器名稱。用戶可以通過(guò)指定瀏覽器的路徑來(lái)控制使用哪個(gè)瀏覽器打開(kāi)應(yīng)用。
  -s, --server          start SnakeViz in server-only mode--no attempt will be made to open a browser # 僅在服務(wù)器模式下啟動(dòng) SnakeViz，不會(huì)嘗試打開(kāi)服務(wù)器中的瀏覽器。對(duì)于非圖形化或不帶瀏覽器的服務(wù)器非常有用。

五、生產(chǎn)環(huán)境使用示例

生產(chǎn)環(huán)境系統(tǒng)版本為 CentOS 7.9.2009 (Core)，內(nèi)核為 5.15.81，使用 4 核 4G 的容器運(yùn)行DB-GPT controller 子系統(tǒng)。

1. 使用步驟

（1）執(zhí)行腳本：/usr/local/bin/python3.10 -m cProfile -o out.prof /usr/local/bin/dbgpt start controller &，在 Python 應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)加載 cProfile 模塊。

（2）執(zhí)行相關(guān)接口壓測(cè)。

（3）正常停止應(yīng)用，生成性能分析結(jié)果文件（out.prof）。注意：性能分析結(jié)果只能是在程序正常停止后才能輸出。常規(guī)兩種做法：其一、后臺(tái)守護(hù)進(jìn)程，可以使用 kill -2 {應(yīng)用 PID}；其二、前臺(tái)進(jìn)程，通過(guò) Ctrl + C 退出。

（4）使用snakeviz -H 0.0.0.0 -s out.prof分析結(jié)果文件（其中 -s 僅在服務(wù)端模式下運(yùn)行，不會(huì)嘗試打開(kāi)服務(wù)器瀏覽器，一般情況下服務(wù)器不自帶瀏覽器；-H 0.0.0.0，支持監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)卡所有接口），執(zhí)行成功后，會(huì)輸出可訪問(wèn)的 URL 地址，通過(guò)外部或本地瀏覽器打開(kāi)。

2. 結(jié)果分析

使用外部或本地瀏覽器訪問(wèn) snakeviz 生成的 URL 地址。結(jié)果如下：

結(jié)果說(shuō)明：

（1）結(jié)果包含兩部分，即上圖和下表。上圖展示選中方法及其子方法的調(diào)用關(guān)系、耗時(shí)及占比；下表展示所有方法及其總調(diào)用次數(shù)（ncalls）、方法本身總耗時(shí)（tottime）、方法本身平均耗時(shí)（percall）、方法及其子方法總耗時(shí)（cumtime）、方法及其子方法平均耗時(shí)（percall）以及方法所在文件位置及其行列號(hào)。

使用說(shuō)明：

（1）表格任意列支持升降序操作，選中任意行，頁(yè)面上方的圖形會(huì)自動(dòng)展示該方法及其子方法的調(diào)用關(guān)系、耗時(shí)及占比。

（2）單擊圖形中的任意子模塊，可查看子模塊所在方法及其子方法的調(diào)用關(guān)系、耗時(shí)及占比。

分析建議：

（1）選擇 cumtime 列降序，選擇入口代碼，逐步細(xì)看，分析瓶頸點(diǎn)。

（2）使用 Sunburst 圖樣展示，更易體現(xiàn)各方法耗時(shí)占比。

3. 評(píng)估加載 cProfile 對(duì)性能的影響

我們用 Jmeter 對(duì)未加載以及加載 cProfile 模塊的 Python 應(yīng)用性能進(jìn)行評(píng)估，以判斷生產(chǎn)環(huán)境加載 cProfile 對(duì)性能的影響程度。結(jié)果如下：

從上表可知，加載 cProfile 后，應(yīng)用吞吐量下降 25%，平均響應(yīng)時(shí)間增加 13ms，對(duì)性能有一定影響。

五、遇到問(wèn)題

kill -15 {應(yīng)用 PID} 無(wú)法生成性能分析結(jié)果文件

由于 cProfile 僅支持監(jiān)聽(tīng)中斷（SIGINT）信號(hào)，導(dǎo)致 kill 15 發(fā)送 SIGTERM 信號(hào)時(shí)，無(wú)法生成性能分析結(jié)果文件。

解決辦法：使用 kill -2 {應(yīng)用 PID}。

六、使用總結(jié)

（1）cProfile 可以生成詳細(xì)的性能分布和調(diào)用鏈，非常適合作為分析和定位 Python 應(yīng)用性能瓶頸的工具。

（2）由于生成性能分析結(jié)果文件需要停止應(yīng)用，且對(duì)性能損耗較大（吞吐量降低 25%），所以一般情況下不建議在生產(chǎn)環(huán)境直接使用。不過(guò)可以使用流量復(fù)制，將生成環(huán)境的流量復(fù)制到測(cè)試或預(yù)生產(chǎn)環(huán)境，這樣既能定位實(shí)際性能瓶頸，又不影響線上業(yè)務(wù)。

到此這篇關(guān)于Python使用cProfile分析和定位應(yīng)用性能瓶頸點(diǎn)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Python cProfile內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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