在 Linux 如何优雅的统计程序运行时间？恕我直言，你运行的可能是假 time

最近在使用 time 命令时，无意间发现了一些隐藏的小秘密和强大功能，今天分享给大家。

time 在 Linux 下是比较常用的命令，可以帮助我们方便的计算程序的运行时间，对比采用不同方案时程序的运行性能。看似简单的命令，其实蕴藏着很多细节和技巧，来跟着肖邦一起学习吧。

1 基础用法详解

先来看下最基础的用法，也可能是大家最常见的用法了

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

可以很清楚看到，find 命令执行的时间为 0.174s，是不是很简单，很方便呢

不过，time 命令输出了三个参数，我们只用到了第一个参数，其它两个参数代表什么含义呢？

这里我来解释一下：

real：表示的是墙上时间，说白了，其实就是从程序运行开始到结束所经历的时间；
user：表示程序运行期间，cpu 在用户态所花费的时间；
sys：表示程序运行期间，cpu 在内核态所花费的时间；

细心的读者会发现，上述案例中的 user + sys 不等于 real，这是怎么回事呢？

其实上边解释的 user 和 sys，是 cpu 执行指令所消耗的时间，并不包含：进程阻塞 IO、调度排队，这些非 cpu 运行时间。

案例中 find 执行查找文件过程中，会有磁盘 IO 读取，这时 cpu 会被释放出来干别的事情，这些 IO 消耗的时间，是不包含在 user 和 sys 统计数据中，所以就出现了 real 时间大于 user + sys 了。

再通过一个示例来验证并加强我们的理解

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

可以清楚地看到，sleep 命令基本上没有消耗 cpu，程序真实的运行时间就是 2 秒

那我们是不是可以得出如下结论了呢:

real >= user + sys

其实这个结论在单个 cpu 情况下，是正确的。

如果服务器是多个 cpu，你的程序正好可以将多个 cpu 充分利用起来，程序运行期间是多核心并行的，那么 user + sys 统计的 cpu 时间可能就会大于 real 时间啦

所以这 3 个时间之间的关系并不是恒定的，你需要清楚的了解服务器是否为多个核心。

其实，通过统计到的 cpu 消耗时间，我们也可以大概知道，程序运行期间 cpu 利用情况。对于单核，计算密集型的程序，real 会很接近 user 和 sys 时间之和的。

Tips：有些同学可能对操作系统可能不太熟悉，这里简单科普下内核态和用户态的基本概念

Linux 为使系统更稳定，采取了隔离保护的措施，运行状态分为内核态和用户态：

用户态：用户代码不具备直接访问底层资源的能力，需要借助内核提供的系统调用 API。在这种隔离保护下，即使用户程序崩溃，也不会影响整个系统的功能。
内核态：内核代码具备最大权限，可执行任意 cpu 指令，不受任何限制。内核态通常是操作系统提供的最底层、最可靠的代码运行的，内核态的代码崩溃是灾难性的，影响整个系统的正常运行。

2 你运行的可能是假time

time 还有其它功能吗？看一下帮助文档吧

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

竟然报错，将 --help 当成了命令来执行了，难道 time 就这么点能耐吗？

好吧，我也不卖关子了，直接说答案：你运行的可能是假time。你可能有点懵逼，怎么就假的了。

其实在 Linux 系统上，使用 time 时，你可能会遇到三种版本：

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

我们当前 Shell 是 Bash，可以通过 type 命令

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

可以看到，我们刚才执行的 time 是 Shell 的内置命令，如果你用的是 zsh，默认使用的 time 也是对应内置命令。

GNU time 命令路径是 /usr/bin/time，一般的 Linux 发行版都带有这个命令，它才是我们今天的猪脚。

3 更强大的功能

GNU time 命令提供了更强大的功能：

更详细的统计信息
更丰富的格式输出
支持保存统计数据到文件

下边我们来学习写 GNU time 的使用

1. 最简单的用法

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，直接使用绝对路径即可，我们可以看到输出信息更多了，不过格式有点丑，后边会讲如何自定义格式。

2. 保持内置 time 的输出样式

有同学会问，能输出内置 Shell 那种的格式么？可以的，使用 -p 选项即可

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

3. 输出更详细的信息

还可以输出更加详细的信息，让你对程序运行信息一目了然。请使用 -v 选项

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

这里详细介绍下 time 命令输出各项指标

（一）时间相关

（二）内存相关

（三）IO 相关

4. 统计信息输出到文件

如果你希望将 time 统计的信息输出到文件，可以使用 -o 选项

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

统计信息直接保存到了 a.txt，如果你希望统计信息能够追加到文件，可以额外加 -a 选项

5. 自定义格式输出

如果命令中内置的输出格式，不符合你的需求，GNU time 可以支持自定义输出格式，通过选项 -f 可以各种指标参数

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

具体支持的格式，贴心的肖邦已经帮你整理好了

这些格式参数太多了，平时大部分情况用不到，可以收藏起来，以便后期使用时可以快速参考。

4 性能分析中的作用

看到这么多系统参数指标，难免会有同学会感到疑惑，这些参数能干什么呀？

其实这些指标，对应到操作系统 cpu、内存、IO 这几方面。深刻的理解了这些指标参数，可以帮助你从本质上把握程序的运行情况，甚至可以协助你分析程序的性能瓶颈。

下边我简单解释几个概念，希望能起到抛砖引玉的作用。

（一）CPU 时间

cpu 时间包括：real、user、sys，当 user + sys >= real 时，说明该程序是计算密集型；当 user + sys 远小于 real 时，说明存在较多的 IO 等待。

（二）上下文切换

平时所说的上下文，是指进程的运行环境，包括当时的寄存器值、内存堆栈等信息，内核根据上下文完全恢复一个被打断的进程任务。

当执行系统调用、进程切换时，都会产生上下文切换。切换上下文时，操作系统需要为进程保存和恢复上下文信息。

上下文切换分为主动和被动两种，主动上下文切换多，说明存在较多的阻塞调用；被动上下文切换说明 cpu 使用率高。

当上下文切换过多时，意味着较多的 cpu 时间花费在上下文切换上，导致 cpu 处理进程任务的有效时间大大减少。

（三）缺页异常

次缺页异常较多，说明程序的内存布局相对合理，命中率高；当主缺页异常较多时，说明程序对内存的访问跳跃性大，命中率低。

处理缺页异常和切换上下文的时间，不包含在 user 和 sys 中，当发现 user + sys 远小于 real 时，则很可能大部分时间都消耗在这些地方，需要重点分析这两点。