程序的“听诊器”——性能监视工具听诊器是一种简单工具

听诊器是一种简单工具，却给医生的工作带来了革命：它让内科医生能有效地监控病人的身体。性能监视工具（profiler）对程序起着同样的作用。
你现在用什么工具来研究程序？复杂的分析系统很多，既有交互式调试器，又有程序动画系统。正如CT扫描仪永远代替不了听诊器一样，复杂的软件也永远代替不了程序员用来监控程序的最简单工具——性能监视工具，我们用它了解程序各部分的执行频率。
本文先用两种性能监视工具来加速一个小程序（记住真正的目的是说明性能监视工具）。后续各节简要介绍性能监视工具的各种用途、非过程语言的性能监视工具，以及开发性能监视工具的技术。
1　计算素数程序P1是个ANSI标准C程序，依次打印所有小于1000的素数。
程序P1
int prime(int n){int i;999for (i = 2; i < n; i++)78022if(n%i == 0)831return 0;168return 1;}main(){int i, n；1n = 1000；1for (i = 2; i <= n; i++)999if (prime(i))168printf("%d\n", i);}如果整型参数n是素数，上述prime函数返回1（真），否则返回0 。这个函数检验2到n-1之间的所有整数，看其是否整除n 。上述main过程用prime子程序来依次检查整数2～1000 ，发现素数就打印出来。
我像写任何一个C程序那样写好程序P1 ，然后在性能监视选项下进行编译。在程序运行之后，只要一个简单的命令就生成了前面所示的列表。（我稍微改变了一些输出的格式。）每行左侧的数由性能监视工具生成，用于说明相应的行执行了多少次。例如， main函数调用了1次，其中测试了999个整数，找出了168个素数。函数prime被调用了999次，其中168次返回1 ，另外831次返回0（快速验证：168+ 831=999）。 prime函数共测试了78022个可能的因子，或者说为了确定素数性，对每个整数检查了大约78个因子。
程序P1是正确的，但是很慢。在VAX-11/750上，计算出小于1000的所有素数约需几秒钟，但计算出小于10 000的所有素数却需要3分钟。对这些计算的性能监视表明，大多数时间花在了测试因子上。因而下一个程序只对n考虑不超过\sqrt n 的可能的整数因子。整型函数root先把整型参数转换成浮点型，然后调用库函数sqrt ，最后再把浮点型结果转换回整型。程序P2包含两个旧函数和这个新函数root 。
程序P2
int root(int n)5456{ return (int) sqrt((float) n);}int prime(int n){int i;999for (i = 2;　i < = root(n);　i++)5288if (n % i == 0)831return 0;168return 1;}main(){int i, n;1n = 1000;1for (i = 2;　i < = n;　i++)999if (prime(i))168printf("%d\n", i);}修改显然是有效的：程序P2的行计数显示，只测试了5288个因子（程序P1的1/14），总共调用了5456次root（测试了5288次整除性， 168次由于i超出了root(n)而终止循环）。不过，虽然计数大大减少了，但是程序P2运行了5.8秒，而程序P1只运行了2.4秒（本节末尾的表中含有运行时间的更多细节）。这说明什么呢？
迄今为止，我们只看到了行计数（line-count）性能监视。过程时间（procedure-time）性能监视给出了较少的控制流细节，但更多地揭示了CPU时间：
%timecumsecs#callms/callname82.74.77_sqrt4.55.039990.26_prime4.35.2854560.05_root2.65.43_frexp1.45.51_ _doprnt1.25.57_write0.95.63mcount0.65.66_creat0.65.69_printf0.45.72125.00_main0.35.73_close0.35.75_exit0.35.77_isatty过程按照运行时间递减的顺序列出。时间上既显示出总秒数，也显示出占总时间的百分比。编译后记录下源程序中main、prime和root这3个过程的调用次数。再次看到这几个计数是令人鼓舞的。其他过程没有性能监视的库函数，完成各种输入/输出和清理维护工作。第4列说明了带语句计数的所有函数每次调用的平均毫秒数。
过程时间性能监视说明， sqrt占用CPU时间的最多：该函数共被调用5456次， for循环的每次测试都要调用一次sqrt 。程序P3通过把sqrt调用移到循环之外，使得在prime的每次调用中只调用一次费时的sqrt过程。
程序P3
int prime(int n){int i, bound;999bound = root(n);999for (i = 2;　i < = bound;　i++)5288if (n % i == 0)831return 0;168return 1;}当n=1000时，程序P3的运行速度大约是程序P2的4倍，而当n= 100 000时则超过10倍。以n= 100 000的情形为例，过程时间性能监视显示， sqrt占用了程序P2的88%的运行时间，但是只占用了程序P3的48%的运行时间。这好多了，但仍然是循环的累赘。
程序P4合并了另外两个加速措施。首先，程序P4通过对被2、3和5整除的特殊检验，避免了近3/4的开方运算。语句计数表明，被2整除的性质大约把一半的输入归入合数，被3整除把剩余输入的1/3归入合数，被5整除再把剩下的这些数的1/5归入合数。其次，只考虑奇数作为可能的因子，在剩余的数中避免了大约一半的整除检验。它比程序P3大约快两倍，但是也比P3的错误更多。下面是（带错的）程序P4 ，你能通过检查语句计数看出问题吗？