Python 性能分析工具简介

摘要：性能分析和调优工具简介总会遇到一个时候你会想提高程序执行效率，想看看哪部分耗时长成为瓶颈，想知道程序运行时内存和使用情况。安装会分析的更快。

总会遇到一个时候你会想提高程序执行效率，想看看哪部分耗时长成为瓶颈，想知道程序运行时内存和CPU使用情况。这时候你会需要一些方法对程序进行性能分析和调优。

可以上下文管理器自己实现一个计时器, 参见之前的介绍 timeit 文章里做的那样，通过定义类的 __enter__ 和 __exit__ 方法来实现对管理的函数计时, 类似如:

# timer.py
import time

class Timer(object):
    def __init__(self, verbose=False):
        self.verbose = verbose

    def __enter__(self):
        self.start = time.time()
        return self

    def __exit__(self, *args):
        self.end = time.time()
        self.secs = self.end - self.start
        self.msecs = self.secs * 1000            # 毫秒
        if self.verbose:
            print "elapsed time: %f ms" % self.msecs

使用方式如下:

from timer import Timer

with Timer() as t:
    foo()
print "=> foo() spends %s s" % t.secs

然而我认为装饰器的方式更加优雅

import time
from functools import wraps

def timer(function):
    @wraps(function)
    def function_timer(*args, **kwargs):
        t0 = time.time()
        result = function(*args, **kwargs)
        t1 = time.time()
        print ("Total time running %s: %s seconds" %
                (function.func_name, str(t1-t0))
                )
        return result
    return function_timer

使用就很简单了:

@timer
def my_sum(n):
    return sum([i for i in range(n)])

if __name__ == "__main__":
    my_sum(10000000)

运行结果:

➜  python profile.py
Total time running my_sum: 0.817697048187 seconds

使用示例如下:

➜ time python profile.py
Total time running my_sum: 0.854454040527 seconds
python profile.py  0.79s user 0.18s system 98% cpu 0.977 total

上面的结果说明: 执行脚本消耗0.79sCPU时间， 0.18秒执行内核函数消耗的时间，总共0.977s时间。
其中， total时间 - (user时间 + system时间) = 消耗在输入输出和系统执行其它任务消耗的时间

可以用来做benchmark, 可以方便的重复一个程序执行的次数，来查看程序可以运行多块。具体参考之前写的文章。

直接看带注释的使用示例吧。

#coding=utf8

def sum_num(max_num):
    total = 0
    for i in range(max_num):
        total += i
    return total


def test():
    total = 0
    for i in range(40000):
        total += i

    t1 = sum_num(100000)
    t2 = sum_num(200000)
    t3 = sum_num(300000)
    t4 = sum_num(400000)
    t5 = sum_num(500000)
    test2()

    return total

def test2():
    total = 0
    for i in range(40000):
        total += i

    t6 = sum_num(600000)
    t7 = sum_num(700000)

    return total


if __name__ == "__main__":
    import cProfile

    # # 直接把分析结果打印到控制台
    # cProfile.run("test()")
    # # 把分析结果保存到文件中
    # cProfile.run("test()", filename="result.out")
    # 增加排序方式
    cProfile.run("test()", filename="result.out", sort="cumulative")

cProfile将分析的结果保存到result.out文件中，但是以二进制形式存储的，想直接查看的话用提供的 pstats 来查看。

import pstats

# 创建Stats对象
p = pstats.Stats("result.out")

# strip_dirs(): 去掉无关的路径信息
# sort_stats(): 排序，支持的方式和上述的一致
# print_stats(): 打印分析结果，可以指定打印前几行

# 和直接运行cProfile.run("test()")的结果是一样的
p.strip_dirs().sort_stats(-1).print_stats()

# 按照函数名排序，只打印前3行函数的信息, 参数还可为小数,表示前百分之几的函数信息
p.strip_dirs().sort_stats("name").print_stats(3)

# 按照运行时间和函数名进行排序
p.strip_dirs().sort_stats("cumulative", "name").print_stats(0.5)

# 如果想知道有哪些函数调用了sum_num
p.print_callers(0.5, "sum_num")

# 查看test()函数中调用了哪些函数
p.print_callees("test")

截取一个查看test()调用了哪些函数的输出示例:

➜  python python profile.py
   Random listing order was used
   List reduced from 6 to 2 due to restriction <"test">

Function              called...
                          ncalls  tottime  cumtime
profile.py:24(test2)  ->       2    0.061    0.077  profile.py:3(sum_num)
                               1    0.000    0.000  {range}
profile.py:10(test)   ->       5    0.073    0.094  profile.py:3(sum_num)
                               1    0.002    0.079  profile.py:24(test2)
                               1    0.001    0.001  {range}

cProfile还提供了可以自定义的类，可以更精细的分析, 具体看文档。
格式如： class profile.Profile(timer=None, timeunit=0.0, subcalls=True, builtins=True)
下面这个例子来自官方文档:

import cProfile, pstats, StringIO
pr = cProfile.Profile()
pr.enable()
# ... do something ...
pr.disable()
s = StringIO.StringIO()
sortby = "cumulative"
ps = pstats.Stats(pr, stream=s).sort_stats(sortby)
ps.print_stats()
print s.getvalue()

line_{profiler是一个对函数进行逐行性能分析的工具，可以参见github项目说明，地址}: https://github.com/rkern/line...

#coding=utf8

def sum_num(max_num):
    total = 0
    for i in range(max_num):
        total += i
    return total


@profile                     # 添加@profile 来标注分析哪个函数
def test():
    total = 0
    for i in range(40000):
        total += i

    t1 = sum_num(10000000)
    t2 = sum_num(200000)
    t3 = sum_num(300000)
    t4 = sum_num(400000)
    t5 = sum_num(500000)
    test2()

    return total

def test2():
    total = 0
    for i in range(40000):
        total += i

    t6 = sum_num(600000)
    t7 = sum_num(700000)

    return total

test()

通过 kernprof 命令来注入分析，运行结果如下：

➜ kernprof -l -v profile.py
Wrote profile results to profile.py.lprof
Timer unit: 1e-06 s

Total time: 3.80125 s
File: profile.py
Function: test at line 10

Line #      Hits         Time  Per Hit   % Time  Line Contents
==============================================================
    10                                           @profile
    11                                           def test():
    12         1            5      5.0      0.0      total = 0
    13     40001        19511      0.5      0.5      for i in range(40000):
    14     40000        19066      0.5      0.5          total += i
    15
    16         1      2974373 2974373.0     78.2      t1 = sum_num(10000000)
    17         1        58702  58702.0      1.5      t2 = sum_num(200000)
    18         1        81170  81170.0      2.1      t3 = sum_num(300000)
    19         1       114901 114901.0      3.0      t4 = sum_num(400000)
    20         1       155261 155261.0      4.1      t5 = sum_num(500000)
    21         1       378257 378257.0     10.0      test2()
    22
    23         1            2      2.0      0.0      return total

hits（执行次数） 和 time（耗时） 值高的地方是有比较大优化空间的地方。

类似于"line_profiler"对基于行分析程序内存使用情况的模块。github 地址：https://github.com/fabianp/me... 。ps:安装 psutil, 会分析的更快。

同样是上面"line_profiler"中的代码，运行 python -m memory_profiler profile.py 命令生成结果如下:

➜ python -m memory_profiler profile.py
Filename: profile.py

Line #    Mem usage    Increment   Line Contents
================================================
    10   24.473 MiB    0.000 MiB   @profile
    11                             def test():
    12   24.473 MiB    0.000 MiB       total = 0
    13   25.719 MiB    1.246 MiB       for i in range(40000):
    14   25.719 MiB    0.000 MiB           total += i
    15
    16  335.594 MiB  309.875 MiB       t1 = sum_num(10000000)
    17  337.121 MiB    1.527 MiB       t2 = sum_num(200000)
    18  339.410 MiB    2.289 MiB       t3 = sum_num(300000)
    19  342.465 MiB    3.055 MiB       t4 = sum_num(400000)
    20  346.281 MiB    3.816 MiB       t5 = sum_num(500000)
    21  356.203 MiB    9.922 MiB       test2()
    22
    23  356.203 MiB    0.000 MiB       return total

https://docs.python.org/2/lib...

http://xianglong.me/article/a...

http://www.cnblogs.com/btchen...

https://www.huyng.com/posts/p...

http://www.marinamele.com/7-t...