可以將以圖形形式查看應(yīng)用程序的調(diào)用過程看作是一個學(xué)習(xí)經(jīng)歷。這樣做可以幫助您理解應(yīng)用程序的內(nèi)部行為，并獲得有關(guān)程序優(yōu)化方面的信息。例如，通過對那些經(jīng)常調(diào)用的函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，您就可以用最少的努力來獲得最佳的性能。另外，調(diào)用跟蹤還可以判斷用戶函數(shù)的最大調(diào)用深度，這可以用來對調(diào)用棧使用的內(nèi)存進(jìn)行有效限制（在嵌入式系統(tǒng)中，這是非常重要的一個考慮因素）。

為了捕獲并顯示調(diào)用圖，您需要 4 個元素：GNU 編譯器工具鏈、Addr2line 工具、定制的中間代碼和一個名為 Graphviz 的代碼。Addr2line 工具可以識別函數(shù)、給定地址的源代碼行數(shù)和可執(zhí)行映像。定制的中間代碼是一個非常簡單的工具，它可以減少對圖形規(guī)范的地址跟蹤。Graphviz 工具可以生成圖形映像。整個過程如圖 1 所示。

數(shù)據(jù)搜集：捕獲函數(shù)調(diào)用路徑

要收集一個函數(shù)調(diào)用的蹤跡，您需要確定每個函數(shù)在應(yīng)用程序中調(diào)用的時間。在過去，都是通過在函數(shù)的入口處和退出處插入一個惟一的符號來手工檢測每個函數(shù)的。這個過程非常繁瑣，而且很容易出錯，通常需要對源代碼進(jìn)行大量的修改。

幸運的是，GNU 編譯器工具鏈（也稱為 gcc）提供了一種自動檢測應(yīng)用程序中的各個函數(shù)的方法。在執(zhí)行應(yīng)用程序時，就可以收集相關(guān)的分析數(shù)據(jù)。您只需要提供兩個特殊的分析函數(shù)即可。其中一個函數(shù)在每次執(zhí)行想要跟蹤的函數(shù)時都會調(diào)用；而另外一個函數(shù)則在每次退出想要跟蹤的函數(shù)時調(diào)用（參見清單 1）。這兩個函數(shù)都是特別指定的，因此，編譯器可以識別它們。

				 void __cyg_profile_func_enter( void *func_address, void *call_site )                                 __attribute__ ((no_instrument_function)); void __cyg_profile_func_exit ( void *func_address, void *call_site )                                 __attribute__ ((no_instrument_function)); 

在調(diào)用一個檢測函數(shù)時，__cyg_profile_func_enter 同時也會被調(diào)用，并以 func_address 形式傳遞調(diào)用的函數(shù)地址，以及從中調(diào)用該函數(shù)的 call_site 形式的地址。反之，當(dāng)一個函數(shù)退出時，也會調(diào)用__cyg_profile_func_exit 函數(shù)，并傳遞 func_address 形式的函數(shù)地址，以及函數(shù)從中退出的真實地址，該地址的表示形式為 call_site。

在這些分析函數(shù)中，您可以記錄下地址對，以供以后再進(jìn)行分析使用。要請求 gcc 所有的檢測函數(shù)，每個文件都必須使用 -finstrument-functions 和 -g選項進(jìn)行編譯，這樣可以保留調(diào)試符號。

因此，現(xiàn)在您就可以為 gcc 提供一些分析函數(shù)了，這些函數(shù)可以透明地插入應(yīng)用程序中的函數(shù)入口點和函數(shù)退出點。但在調(diào)用分析函數(shù)時，又應(yīng)該怎樣處理所提供的地址呢？您有很多選擇，但是為了簡便起見，可以將這個地址簡單地寫入一個文件，要注意哪個地址是函數(shù)的入口地址，哪個地址是函數(shù)的出口地址（參見清單 2）。

注意：在清單 2 中并沒有使用調(diào)用 Callsite 信息，因為這些信息對于分析程序來說是不必要的。

				 void __cyg_profile_func_enter( void *this, void *callsite ) {   /* Function Entry Address */   fprintf(fp, "E%p\n", (int *)this); } void __cyg_profile_func_exit( void *this, void *callsite ) {   /* Function Exit Address */   fprintf(fp, "X%p\n", (int *)this); } 

現(xiàn)在您可以搜集分析數(shù)據(jù)了，但是您應(yīng)該在什么地方打開或關(guān)閉您的跟蹤輸出文件呢？到現(xiàn)在為止，還不需要為了進(jìn)行分析而對源程序進(jìn)行任何修改。因此，您該如何檢測整個應(yīng)用程序（包括 main 函數(shù)）而不用對分析數(shù)據(jù)的輸出結(jié)果進(jìn)行初始化呢？gcc 的開發(fā)者也考慮過這個問題，它們?yōu)?nbsp;main 函數(shù)的 constructor 函數(shù)和 destructor 函數(shù)提供了一些碰巧能夠滿足這個要求一些方法。constructor 函數(shù)是在調(diào)用 main 函數(shù)之前調(diào)用的，而 destructor 函數(shù)則是在應(yīng)用程序退出時調(diào)用的。

要創(chuàng)建 constructor 和 destructor 函數(shù)，則需要聲明兩個函數(shù)，然后對這兩個函數(shù)應(yīng)用constructor 和 destructor 函數(shù)屬性。在 constructor 函數(shù)中，會打開一個新的跟蹤文件，分析數(shù)據(jù)的地址跟蹤就是寫入這個文件的；在 destructor 函數(shù)中，會關(guān)閉這個跟蹤文件（參見清單 3）。

				 /* Constructor and Destructor Prototypes */ void main_constructor( void ) 	__attribute__ ((no_instrument_function, constructor)); void main_destructor( void ) 	__attribute__ ((no_instrument_function, destructor)); /* Output trace file pointer */ static FILE *fp; void main_constructor( void ) {   fp = fopen( "trace.txt", "w" );   if (fp == NULL) exit(-1); } void main_deconstructor( void ) {   fclose( fp ); } 

如果編譯分析函數(shù)（在 instrument.c）并將它們與目標(biāo)應(yīng)用程序鏈接在一起，然后再執(zhí)行目標(biāo)應(yīng)用程序，結(jié)果會生成一個應(yīng)用程序的調(diào)用追蹤，追蹤記錄被寫入 trace.txt 文件。跟蹤文件與調(diào)用的應(yīng)用程序處于相同的目錄中。最終結(jié)果是，您可能會得到一個其中滿是地址的非常大的文件。為了能夠讓這些數(shù)據(jù)更有意義，您可以使用一個不太出名的叫做 Addr2line 的 GNU 工具。

回頁首

使用 Addr2line 將函數(shù)地址解析為函數(shù)名

Addr2line 工具（它是標(biāo)準(zhǔn)的 GNU Binutils 中的一部分）是一個可以將指令的地址和可執(zhí)行映像轉(zhuǎn)換成文件名、函數(shù)名和源代碼行數(shù)的工具。這種功能對于將跟蹤地址轉(zhuǎn)換成更有意義的內(nèi)容來說簡直是太棒了。

要了解這個過程是怎樣工作的，我們可以試驗一個簡單的交互式的例子。（我直接從 shell 中進(jìn)行操作，因為這是最簡單地展示這個過程的方法，如清單 4 所示。）這個示例 C 文件（test.c）是通過 cat 一個簡單的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的（也就是說，將標(biāo)準(zhǔn)輸出的文本重定向到一個文件中）。然后使用 gcc 來編譯這個文件，它會傳遞一些特殊的選項。首先，要（使用 -Wl選項）通知鏈接器生成一個映像文件，并（使用 -g 選項）通知編譯器生成調(diào)試符號。最終生成可執(zhí)行文件 test。得到新的可執(zhí)行應(yīng)用程序之后，您就可以使用 grep 工具在映像文件中查找 main 來尋找它的地址了。使用這個地址和 Addr2line 工具，就可以判斷出函數(shù)名（main）、源文件（/home/mtj/test/test.c）以及它在源文件中的行號（4）。

在調(diào)用 Addr2line 工具時，要使用 -e 選項來指定可執(zhí)行映像是 test。通過使用 -f 選項，可以告訴工具輸出函數(shù)名。

				 $ cat >> test.c #include <stdio.h> int main() {   printf("Hello World\n");   return 0; } <ctld-d> $ gcc -Wl,-Map=test.map -g -o test test.c $ grep main test.map 	0x08048258		__libc_start_main@@GLIBC_2.0 	0x08048258		main $ addr2line 0x08048258 -e test -f main /home/mtj/test/test.c:4 $ 

回頁首

精簡函數(shù)跟蹤數(shù)據(jù)

現(xiàn)在您有了一個可以搜集函數(shù)函數(shù)地址的追蹤數(shù)據(jù)的方法，還可以使用 Addr2line 工具將地址轉(zhuǎn)換為函數(shù)名。然而，從應(yīng)用程序中產(chǎn)生大量的跟蹤數(shù)據(jù)之后，如何對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡，從而使其更有意義呢？這就是使用一些定制的中間代碼在開源工具之間建立聯(lián)系的地方。本文提供了這個工具（Pvtrace）的帶有注釋的完整代碼，包括如何編譯和使用該工具的一些說明。（有關(guān)的更多信息，請參閱 下載 一節(jié)。）

回想一下圖 1 中的內(nèi)容，在執(zhí)行設(shè)置了檢測函數(shù)的應(yīng)用程序時，會創(chuàng)建一個名為 trace.txt 的文本文件。這個人們可以讀取的文件中包含了一系列地址信息 —— 每行一個地址，每行都有一個前綴字符。如果前綴是 E，那么這個地址就是一個函數(shù)的入口地址（也就是說，您正在調(diào)用這個函數(shù)）。如果前綴是一個 X 字符，那么這個地址就是一個出口地址（也就是說，您正在從這個函數(shù)中退出）。

因此，如果在跟蹤文件中有一個入口地址（A）緊跟著另外一個入口地址（B），那么您就可以推斷是 A 調(diào)用了 B。如果一個入口地址（A）后面跟著一個出口地址（A），那么就說明這個函數(shù)（A）被調(diào)用后就直接返回了。當(dāng)涉及大量的調(diào)用鏈時，就很難分析究竟是誰調(diào)用了誰，因此，一種簡單的解決方案是維護(hù)一個整個地址的堆棧。每次在跟蹤文件中碰到一個入口地址時，就將其壓入堆棧。棧頂?shù)牡刂肪痛碜詈笠淮伪徽{(diào)用的函數(shù)（也就是當(dāng)前的活動函數(shù)）。如果后面緊接著是另外一個入口地址，這說明堆棧中的地址調(diào)用了這個剛從跟蹤文件處讀出的地址。在碰到退出函數(shù)時，當(dāng)前的活動函數(shù)就會返回，并釋放棧頂元素。這會將上下文返到回前一個函數(shù)，由此，就可以產(chǎn)生正確的調(diào)用鏈過程。

圖 2 介紹了這個概念，以及精簡數(shù)據(jù)的方法。在分析跟蹤文件中的調(diào)用鏈時，會構(gòu)建一個連通矩陣，用來表示哪個函數(shù)調(diào)用了其他哪些函數(shù)。這個矩陣的行表示調(diào)用函數(shù)的地址，列表示被調(diào)用的地址。對于每個調(diào)用對來說，行與列的交叉點不斷進(jìn)行累加（調(diào)用次數(shù)）。當(dāng)處理完整個跟蹤文件時，其結(jié)果是該應(yīng)用程序的整個調(diào)用歷史的一個非常簡單的表示，其中包含了調(diào)用的次數(shù)。

現(xiàn)在我們已經(jīng)構(gòu)建了簡化的函數(shù)連通性矩陣，接下來應(yīng)該構(gòu)建圖形的表示了。讓我們深入研究 Graphviz，了便理解如何從連通矩陣生成一個調(diào)用圖。

回頁首

使用 Graphviz

Graphviz 或 Graph Visualization 是由 AT&T 開發(fā)的一個開源的圖形可視化工具。它提供了多種畫圖能力，但是我們重點關(guān)注的是它使用 Dot 語言直連圖的能力。在本文中，我們將簡單介紹如何使用 Dot 來創(chuàng)建一個圖形，并展示如何將分析數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 Graphviz 可以使用的規(guī)范。（請參閱 參考資料 一節(jié)，以獲得有關(guān)下載這個開源軟件的信息。）

Dot 使用的圖形規(guī)范

使用 Dot 語言，您可以指定三種對象：圖、節(jié)點和邊。為了讓您理解這些對象的含義，我們將構(gòu)建一個例子來展示這些元素的用法。

清單 5 給出了一個簡單的定向圖（directed graph），其中包含 3 個節(jié)點。第一行聲明這個圖為 G，并且聲明了該圖的類型（digraph）。接下來的三行代碼用于創(chuàng)建該圖的節(jié)點，這些節(jié)點分別名為 node1、node2 和 node3。節(jié)點是在它們的名字出現(xiàn)在圖規(guī)范中時創(chuàng)建的。邊是在在兩個節(jié)點使用邊操作（->）連接在一起時創(chuàng)建的，如第 6 行到第 8 行所示。我還對邊使用了一個可選的屬性 label，用它來表示邊在圖中的名稱。最后，在第 9 行完成對該圖規(guī)范的定義。

				 1:  digraph G { 2:    node1; 3:    node2; 4:    node3; 5: 6:    node1 -> node2 [label="edge_1_2"]; 7:    node1 -> node3 [label="edge_1_3"]; 8:    node2 -> node3 [label="edge_2_3"]; 9:  } 

要將這個 .dot 文件轉(zhuǎn)換成一個圖形映像，則需要使用 Dot 工具，這個工具是在 Graphviz 包中提供的。清單 6 介紹了這種轉(zhuǎn)換。

				 $ dot -Tjpg test.dot -o test.jpg $ 

在這段代碼中，我告訴 Dot 使用 test.dot 圖形規(guī)范，并生成一個 JPG 圖像，將其保存在文件 test.jpg 中。所生成的圖像如圖 3 所示。在此處，我使用了 JPG 格式，但是 Dot 工具也可以支持其他格式，其中包括 GIF、PNG 和 postscript。

Dot 語言還可以支持其他一些選項，包括外形、顏色和很多屬性。但是就我們想要實現(xiàn)的功能而言，這個選項就足夠了。

回頁首

綜合

現(xiàn)在我們已經(jīng)看到了整個過程的各個階段了，下面可以采用一個例子來展示如何將這些階段合并在一起了。現(xiàn)在，您應(yīng)該已經(jīng)展開并安裝了 Pvtrace 工具，然后還需要將 instrument.c 文件復(fù)制到工作源代碼目錄中。

在這個例子中，我使用了一個源文件 test.c 進(jìn)行檢測。清單 7 給出了整個過程。在第 3 行中，我使用檢測源（instrument.c）來構(gòu)建（編譯并連接）應(yīng)用程序。然后在第 4 行執(zhí)行test，再使用 ls 命令驗證已經(jīng)生成了 trace.txt 文件。在第 8 行，我調(diào)用了 Pvtrace 工具，并提供這個映像文件作為它惟一的參數(shù)。映像名是必需的，這樣 Addr2line（在 Pvtrace 中調(diào)用）就可以訪問這個映像中的調(diào)試信息。在第 9 行中，我又執(zhí)行了一次 ls 命令，以確保 Pvtrace 生成了 graph.dot 文件。最后，在第 12 行，使用 Dot 將這個圖形規(guī)范轉(zhuǎn)換成一個 JPG 圖形映像。

				  1:  $ ls  2:  instrument.c    test.c  3:  $ $ gcc -g -finstrument-functions test.c instrument.c -o test  4:  $ ./test  5:  $ ls  6:  instrument.c     test.c  7:  test             trace.txt  8:  $ pvtrace test  9:  $ ls 10:  graph.dot        test           trace.txt 11:  instrument.c     test.c 12:  $ dot -Tjpg graph.dot -o graph.jpg 13:  $ ls 14:  graph.dot        instrument.c   test.c 15:  graph.jpg        test           trace.txt 16:  $ 

這個過程的示例輸出如圖 4 所示。這個示例圖是從使用 Q 學(xué)習(xí)的一個簡單增強式學(xué)習(xí)應(yīng)用程序中得到的。

您也可以使用這種方法對更大的應(yīng)用程序進(jìn)行分析。我要展示的最后一個例子是 Gzip 工具。我簡單地將 instrument.c 加入 Gzip 的 Makefile 中，作為其依賴的一個源文件，然后編譯 Gzip，并使用它生成一個跟蹤文件。這個圖形太大了，不太容易進(jìn)行更詳細(xì)的分析，但是下圖表示了 Gzip 對一個小文件進(jìn)行壓縮時的處理過程。

回頁首

結(jié)束語

使用開源軟件和少量的中間代碼，只需要花很少的時間就可以開發(fā)出非常有用的項目。通過使用對應(yīng)用程序進(jìn)行分析的幾個 GNU 編譯器擴展，可以使用 Addr2line 工具進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，并對 Graphviz 應(yīng)用程序進(jìn)行圖形可視化，然后您就可以得到一個程序，該程序可以對應(yīng)用程序進(jìn)行分析，并展示一個說明調(diào)用鏈的定向圖。通過圖形來查看一個應(yīng)用程序的調(diào)用鏈對于理解應(yīng)用程序的內(nèi)部行為來說非常重要。在正確了解調(diào)用鏈及其各自的頻率之后，這些知識可能對調(diào)試和優(yōu)化應(yīng)用程序非常有用。

回頁首

下載