剖析优化性能

Coz：使用因果分析查找有价值的代码 - 简介

Matt Warren

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2016年9月11日

CPOL

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Coz：使用因果分析查找有价值的代码 - 简介

不久前，我偶然读到了一篇题为《COZ：使用因果剖析查找有价值的代码》的有趣且易于阅读的论文，该论文在SOSP 2015上发表（并获得了最佳论文奖）。这篇博文是我尝试为不想通读整篇论文的任何人介绍因果剖析。

什么是“因果剖析”？

以下是论文本身的解释：

与过去的剖析方法不同，因果剖析准确地指出了程序员应将优化精力集中在哪里，并量化了其潜在影响。因果剖析通过在程序执行期间运行性能实验来工作。每个实验通过虚拟加速代码来计算任何潜在优化所产生的影响：插入暂停，从而减慢所有其他并发运行的代码。关键的见解是，这种减速与使该行运行得更快具有相同的相对效果，从而“虚拟地”加速了它。

如果您愿意，下面是论文中解释其功能的图（单击放大）：

关键部分是它试图找出加速给定代码块对程序整体运行时间的影响。但是，能够加速任意代码片段非常困难，如果作者能做到这一点，那么他们最好通过出售代码优化工具来赚大钱。因此，他们没有加速给定代码片段，而是人为地减慢了所有同时运行的其他代码，这具有完全相同的相对效果。

在上图中，Coz 试图确定优化代码块f对整体运行时间的影响。他们没有像（b）部分所示那样使f运行得更快，而是通过插入暂停来减慢g的运行速度，请参见（c）部分。然后，Coz 可以推断出，如果f运行得更快，那么（c）中看到的加速将具有相同的相对效果，因此（b）中所示的“实际加速”是可能的。

不幸的是，Coz 不会告诉你如何加速你的代码，这留给你自己，但它会告诉你你应该关注代码的哪些部分才能获得最佳的整体改进。或者换句话说，Coz 告诉你：

如果你能将给定代码块加速这么多，程序就会跑得这么快。

现有剖析器

在论文中，作者认为现有的剖析器仅告诉你：

频繁执行的代码（调用次数）
运行时间长的代码（占总时间的百分比）

它们不能帮助你找到并行程序中的重要代码，而这正是 Coz 解决的问题。他们给出的（人为的）例子是：

void a() { // ˜6.7 seconds
    for(volatile size_t x=0; x<2000000000; x++) {}
}

void b() { // ˜6.4 seconds
    for(volatile size_t y=0; y<1900000000; y++) {}
}

int main() {
    // Spawn both threads and wait for them.
    thread a_thread(a), b_thread(b);
    a_thread.join(); b_thread.join();
}

他们称之为

..一个简单的多线程程序，说明了现有剖析器的缺点。优化 fa最多只会提高 4.5% 的性能，而优化 fb则对性能没有任何影响。

如下面的比较所示（单击可放大），普通剖析器显示 fa和 fb都占用了相似比例的总运行时间（分别为 55.20% 和 45.19%）。但是，通过使用因果剖析器，它预测优化 fa中的第 2 行会将整体运行时间增加 4-6%，而优化 fb只会增加 < 2%。

结果

然而，他们的研究不仅仅是在人为设计的程序上进行的，他们还考察了几个实际项目，包括：

SQLite
PARSEC 基准套件
- dedup - 下一代数据去重压缩
- ferred - 内容相似性搜索服务器

来自 Charlie Curtsinger（Coz 的作者之一）的一次演示文稿的结果表明，在几种情况下，Coz 识别出了常规剖析器会错过的优化领域。例如，他们发现 SQLite 中一个函数在优化后提供了 25% 的加速，然而在该函数中实际花费的时间很少，仅为 0.15%，因此它不会出现在常规剖析器的输出中。

项目	Coz 加速	剖析器报告的运行时百分比
SQLite	25%	0.15%
dedup	9%	14.38%
ferred	21%	0.00%

您可以交互式查看器中探索这些结果，该查看器是与该工具一起开发的。例如，下图显示了 SQLite 源代码中 Coz 识别出的影响最大（正面或负面）的代码行（单击可查看完整尺寸版本）：

摘要

值得指出的是，Coz 目前是一个原型因果剖析器，目前只能在 Linux 上运行，但不需要你修改可执行文件。然而，论文中提出的思想可以移植到其他操作系统、编程语言或运行时。例如，已经开始开发一个Go 版本，该版本只需要对运行时进行少量修改即可运行原型。

很高兴看到 .NET 也有类似的东西，有人愿意尝试吗？

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什么是“因果剖析”？

现有剖析器

结果

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