Linux下程序时间消耗监控与统计

良好的计时器可帮助程序开发人员确定程序的性能瓶颈，或对不同算法进行性能比较。但要精确测量程序的运行时间并不容易，因为进程切换、中断、共享的多用户、网络流量、高速缓存访问及转移预测等因素都会对程序计时产生影响。

抛开这些影响因素，本文仅关注 Linux 系统中用户态程序执行时间的计算方式，即基于类 UNIX 系统的 time 命令统计一个程序或比较不同算法的时间消耗。

一

基本概念

1. 日历时间

• Coordinated Universal Time(UTC)

  世界协调时间(又称世界标准时间)，旧称格林威治标准时间( Greenwich Mean Time, GMT )。

• Calendar Time

  日历时间，即从一个标准时间点到此时的时间所经过的秒数。该标准时间点因编译器而异，但对编译系统而言标准时间点不变。该编译系统中的时间对应的日历时间都通过该标准时间点衡量，故日历时间是“相对时间”。UNIX/Linux 的时间系统由 “新纪元时间( Epoch )” 开始算起，该起点指定为 1970 年 1 月 1 日凌晨 0 时 0 分 0 秒(格林威治时间)。Microsoft C/C++ 7.0 中标准时间点指定为 1899 年 12 月 31 日 0 时 0 分 0 秒，而其它版本的 Microsoft C/C++ 和所有不同版本的 Visual C++ 中标准时间点指定为 1970 年 1 月 1 日 0 时 0 分 0 秒。日历时间与时区无关。

• Epoch

  时间点。时间点在标准 C/C++ 中是一个整数( time_t )，它用此刻的时间和标准时间点相差的秒数(即日历时间)来表示。目前大部分 UNIX 系统采用 32 位记录时间，正值表示为 1970 年以后，负值则表示 1970 年以前。可简单地估算出所能表达的时间范围：1970±((231-1)/3600/24/365)≈[1901,2038] 年。为表示更久远的时间，某些编译器厂商引入 64 位甚至更长的整型数来保存日历时间。

2. 进程时间

进程时间也称 CPU 时间，用以度量进程使用的中央处理器资源。进程时间以时钟滴嗒计算，通常使用三个进程时间值，即实际时间（Real）、用户 CPU 时间（User）和系统 CPU 时间（Sys）。

实际时间指实际流逝的时间；用户时间和系统时间指特定进程使用的 CPU 时间。具体区别如下：

• Real：是从进程开始执行到完成所经历的挂钟（wall clock）时间，包括其他进程使用的时间片（time slice）和本进程耗费在阻塞（如等待 I/O 操作完成）上的时间。该时间对应秒表（stopwatch）直接测量。

• User：是进程执行用户态代码（内核外）耗费的 CPU 时间，仅统计该进程执行时实际使用的 CPU 时间，而不计入其他进程使用的时间片和本进程阻塞的时间。

• Sys：是该进程在内核态运行所耗费的 CPU 时间，即内核执行系统调用所使用的 CPU 时间。

CPU 总时间（User+Sys）是 CPU 执行用户进程操作和内核（代表用户进程执行）系统调用所耗时间的总和，即该进程（包括其线程和子进程）所使用的实际 CPU 时间。若程序循环遍历数组，则增加用户 CPU 时间；若程序执行 exec 或 fork 等系统调用，则增加系统 CPU 时间。

在多核处理器机器上，若进程含有多个线程或通过 fork 调用创建子进程，则实际时间可能小于 CPU 总时间——因为不同线程或进程可并行执行，但其时间会计入主进程的 CPU 总时间。若程序在某段时间处于等待状态而并未执行，则实际时间可能大于 CPU 总时间。其数值关系总结如下：

• Real < CPU，表明进程为计算密集型（CPU bound），利用多核处理器的并行执行优势。

• Real ≈ CPU，表明进程为计算密集型（CPU bound），未并行执行。

• Real > CPU，表明进程为 I/O 密集型（I/O bound），多核并行执行优势并不明显。

在单核处理器上，Real 时间和 CPU 时间之差，即 Real- (User+Sys) 是所有延迟程序执行的因素的总和。可估算程序运行期间的 CPU 利用率为 CpuUsage = (User + Sys) / Real * 100(%)。
 
在 SMP（对称多处理系统）上，该差值近似为 Real* ProcessorNum - (User + Sys)。这些因素包括：

• 调入程序文本和数据的 I/O 操作。

• 获取程序实际使用内存的 I/O 操作。

• 由其它程序消耗的 CPU 用时。

• 由操作系统消耗的 CPU 用时。

3. LInux命令

在 Linux 下，命令有几种类型，包括：

• 可以通过 $PATH 来找到的程序可执行文件，即文件系统中的命令；

• 通过 shell 内置命令 alias 创建的 Linux 别名，即用户定义的命令；

• shell 程序设计中的保留字，即 shell keyword，如 if、then、fi、for、while、case、esac、else、until 等；

• 在 shell 脚本中写的 shell 函数；

• shell 中内置的 Linux 命令，如 pwd、cd、bg、alias、history、type、source、read、exit 等，我们可以通过 Linux 内置的 type 命令来列出或检查 Linux 内置命令。

  $ type pwd
  pwd is a shell builtin
  $ type cd
  cd is a shell builtin
  

  $ type if then
  if is a shell keyword
  then is a shell keyword
  

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二

命令详解

当测试一个程序或比较不同算法时，执行时间是非常重要的，一个好的算法应该是用时最短的。所有类UNIX系统都包含 time（shell keyword），使用这个命令可以统计时间消耗。我们常用的 time 其实是一个 Shell 关键字，还有一个外部命令 /usr/bin/time，两者最主要的区别在于外部命令 /usr/bin/time 功能更强大。

$ type -a time
time is a shell keyword      #time 是一个保留字（关键字）
time is /usr/bin/time        #还有一个外部命令 time

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/usr/bin/time 功能非常强大，我们可以使用 -v 参数查看打印出来比较详细的信息：

$ /usr/bin/time -v
Usage: /usr/bin/time [-apvV] [-f format] [-o file] [--append] [--verbose]
       [--portability] [--format=format] [--output=file] [--version]
       [--help] command [arg...]

$ /usr/bin/time -v echo "hello,time."
hello,time.
    Command being timed: "echo hello,time."
    User time (seconds): 0.00
    System time (seconds): 0.00
    Percent of CPU this job got: 63%
    Elapsed (wall clock) time (h:mm:ss or m:ss): 0:00.00
    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): 624
    Average resident set size (kbytes): 0
    Major (requiring I/O) page faults: 0
    Minor (reclaiming a frame) page faults: 203
    Voluntary context switches: 1
    Involuntary context switches: 0
    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

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外部命令 /usr/bin/time 一些常用参数：

• 使用 -o 选项将执行时间写入到文件中

  /usr/bin/time -o outfile.txt ls

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• 使用 -a 选项追加信息

  /usr/bin/time -a -o outfile.txt ls

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• 使用 -f 选项格式化时间输出

  /usr/bin/time -f "time: %U" ls

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• -f 选项后的参数：

  参数  描述
  %E    real 时间，执行指令所花费的时间，显示格式为[小时:]分钟:秒。注意这个数字并不代表实际的 CPU 时间。
  %e    执行指令所花费的时间，单位是秒。请注意这个数字并不代表实际的 CPU 时间。
  %U    user 时间，指令执行时在使用者模式（user mode）所花费的时间，单位是秒。
  %S    sys 时间，指令执行时在核心模式（kernel mode）所花费的时间，单位是秒。
  %P    进程所获取的 CPU 时间百分比，这个值等于 user+system 时间除以总共的运行时间。
  %C    进行计时的命令名称和命令行参数。
  %D    进程非共享数据区域，以 KB 为单位。
  %x    命令退出状态。
  %k    进程接收到的信号数量。
  %w    进程被交换出主存的次数。
  %Z    系统的页面大小，这是一个系统常量，不用系统中常量值也不同。
  %K    进程的平均总内存使用量（data+stack+text），单位是 KB。
  %w    进程主动进行上下文切换的次数，例如等待 I/O 操作完成。
  %c    进程被迫进行上下文切换的次数（由于时间片到期）。

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三

实际操作

对 echo、gzip、自己编写的 python 程序，使用 time 对时间消耗进行统计：

$ /usr/bin/time -f "%U(user) %S(system) %E(elapsed) %P(cpu) %M(max RAM KB)" echo "Hello, world."
Hello, world.
0.00(user) 0.00(system) 0:00.01(elapsed) 0%(cpu) 624(max RAM KB)

$ /usr/bin/time -f "%U(user) %S(system) %E(elapsed) %P(cpu) %M(max RAM KB)" gzip -d CONTROL5.clean.fasta.gz
3.98(user) 0.58(system) 0:04.57(elapsed) 99%(cpu) 732(max RAM KB)

$ /usr/bin/time -f "%U(user) %S(system) %E(elapsed) %P(cpu) %M(max RAM KB)" python getFileSize.py -p "/data/train/pca-plots;/data/Bioinfo/fastq" -o output_size.txt
0.03(user) 0.00(system) 0:00.04(elapsed) 100%(cpu) 7888(max RAM KB)

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关于 time 更多详细信息，可以点击下面 "阅读原文" 进一步了解。

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