优化 Go 应用

在本教程中，您将部署一个配置为收集性能剖析文件数据的 Go 应用，而该应用的效率已被故意降低。您将使用 Profiler 界面查看性能剖析文件数据并确定可能的优化。然后，您可以修改并部署应用，并评估修改的效果。

准备工作

1. 登录您的 Google Cloud 账号。如果您是 Google Cloud 新手，请创建一个账号来评估我们的产品在实际场景中的表现。新客户还可获享 $300 赠金，用于运行、测试和部署工作负载。

2. In the Google Cloud console, on the project selector page, select or create a Google Cloud project.

   Note: If you don't plan to keep the resources that you create in this procedure, create a project instead of selecting an existing project. After you finish these steps, you can delete the project, removing all resources associated with the project.

   Go to project selector

3. In the Google Cloud console, on the project selector page, select or create a Google Cloud project.

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4. Enable the required API.

   Enable the API

5. 如需打开 Cloud Shell，请点击 Google Cloud 控制台工具栏中的激活 Cloud Shell：

   

   片刻之后，Google Cloud 控制台内会打开一个 Cloud Shell 会话：

   

示例应用

主要目标是最大限度地提高服务器可处理的每秒查询次数。次要目标是消除不必要的内存分配，从而减少内存用量。

使用 gRPC 框架的服务器可以接收一个字词或短语，然后返回该字词或短语在莎士比亚作品中出现的次数。

服务器每秒可处理的平均查询次数取决于服务器的负载测试。对于每轮测试，系统都会调用一个客户端模拟器，并指示其发出 20 个有序查询。在一轮完成时，将显示客户端模拟器发送的查询数量、所用时间以及每秒平均查询次数。

服务器代码的效率已被故意降低。

运行示例应用

注意：应用的执行时间仅足够收集一些性能剖析文件数据。在实践中，最好至少使用 10 个性能剖析文件来分析性能剖析文件数据。

下载并运行示例应用：

1. 在 Cloud Shell 中，运行以下命令：

   git clone https://github.com/GoogleCloudPlatform/golang-samples.git
   cd golang-samples/profiler/shakesapp
   

2. 运行应用（版本设置为 1 且轮数设置为 15）：

   go run . -version 1 -num_rounds 15
   

   一两分钟后，系统会显示性能剖析文件数据。性能剖析文件数据类似于以下示例：

   

   在屏幕截图中，请注意性能剖析文件类型 (Profile type) 设置为 CPU time。这表示火焰图中显示 CPU 使用情况数据。

   Cloud Shell 中输出的示例如下所示：

   $ go run . -version 1 -num_rounds 15
   2020/08/27 17:27:34 Simulating client requests, round 1
   2020/08/27 17:27:34 Stackdriver Profiler Go Agent version: 20200618
   2020/08/27 17:27:34 profiler has started
   2020/08/27 17:27:34 creating a new profile via profiler service
   2020/08/27 17:27:51 Simulated 20 requests in 17.3s, rate of 1.156069 reqs / sec
   2020/08/27 17:27:51 Simulating client requests, round 2
   2020/08/27 17:28:10 Simulated 20 requests in 19.02s, rate of 1.051525 reqs / sec
   2020/08/27 17:28:10 Simulating client requests, round 3
   2020/08/27 17:28:29 Simulated 20 requests in 18.71s, rate of 1.068947 reqs / sec
   ...
   2020/08/27 17:44:32 Simulating client requests, round 14
   2020/08/27 17:46:04 Simulated 20 requests in 1m32.23s, rate of 0.216849 reqs / sec
   2020/08/27 17:46:04 Simulating client requests, round 15
   2020/08/27 17:47:52 Simulated 20 requests in 1m48.03s, rate of 0.185134 reqs / sec
   

   Cloud Shell 输出会显示每次迭代的所用时间以及平均请求率。应用启动时，条目“在 17.3 秒内模拟 20 个请求，速率为每秒 1.156069 个请求”表明服务器每秒执行大约 1 个请求。完成最后一轮之后，条目“在 1 分 48.03 秒内模拟 20 个请求，速率为每秒 0.185134 个请求”表明服务器每 5 秒执行大约 1 个请求。

使用 CPU 时间性能剖析文件尽可能提高每秒查询次数

最大限度地提高每秒查询次数的一种方法是识别 CPU 密集型方法并优化其实现。在本部分中，您将使用 CPU 时间性能剖析文件来识别服务器中的 CPU 密集型方法。

识别 CPU 使用时间

火焰图的根帧列出了应用在 10 秒的收集间隔内使用的总计 CPU 时间：

在此示例中，服务使用了 2.37 s。当系统在单个核心上运行时，2.37 秒的 CPU 使用时间相当于该核心的利用率为 23.7%。如需了解详情，请参阅可用的性能剖析类型。

修改应用

第 1 步：哪个函数占用了大量 CPU 时间？

确定可能需要优化的代码的一种方式是查看函数表并确定贪婪函数：

1. 如需查看函数表，请点击 聚焦函数列表。
2. 依总计对表格进行排序。总计列会显示函数及其子项的 CPU 使用时间。

   在本示例中，GetMatchCount 是列表中的第一个 shakesapp/server.go 函数。该函数使用了总计 CPU 时间中的 1.7s，即应用的总计 CPU 时间的 72%。此函数已知正在处理 gRPC 请求。

   

   火焰图显示 shakesapp/server.go 函数 GetMatchCount 调用 MatchString，而后者又花费其大部分时间来调用 Compile：
   

   

步骤 2：如何运用您学到的知识？

1. 依赖您的语言专业知识。MatchString 是一种正则表达式方法。您知道，正则表达式处理非常灵活，但不一定是每个问题的最有效解决方案。
2. 依赖您的应用专业知识。客户端将生成一个字词或短语，而服务器会搜索该字词或短语。
3. 搜索 shakesapp/server.go 方法 GetMatchCount 使用 MatchString 的实现，然后确定该调用是否可以替换为更简单、更高效的函数。

步骤 3：如何更改应用？

在 shakesapp/server.go 文件中，现有代码包含对 MatchString 的一次调用：

    isMatch, err := regexp.MatchString(query, line)
    if err != nil {
           return resp, err
    }
    if isMatch {
           resp.MatchCount++
    }
    

选项之一是将 MatchString 逻辑替换为使用 strings.Contains 的等效逻辑：

    if strings.Contains(line, query) {
            resp.MatchCount++
    }
    

请务必移除 regexp 软件包的导入语句。

评估更改

如需评估更改，请执行以下操作：

1. 运行应用（将应用版本设置为 2）：

   go run . -version 2 -num_rounds 40
   

   后面的部分显示，与未经修改的应用相比，使用优化后执行一轮所需的时间大大减少。为了确保应用的执行时间足够长以便收集和上传性能剖析文件，增加了轮数。

2. 等待应用完成，然后查看此版本应用的性能剖析文件数据：

   • 点击立即以加载最新的性能剖析文件数据。如需了解详情，请参阅时间范围。
   • 在版本菜单中，选择 2。

如果是一个示例，火焰图如下所示：

在上图中，根帧显示了 7.8 s 的值。由于更改了字符串匹配函数，应用使用的 CPU 时间从 2.37 秒增加到 7.8 秒，也即应用对 CPU 核心的利用率从 23.7% 变为 78%。

帧宽度是对 CPU 使用时间的成比例测量。在此示例中，GetMatchCount 帧的宽度表示函数使用了应用的所有 CPU 使用时间的约 49%。在原始火焰图中，此帧的宽度大约为图表宽度的 72%。如需查看确切的 CPU 使用时间，您可以使用帧提示，也可以使用聚焦函数列表：

Cloud Shell 中的输出显示修改后的版本每秒完成大约 5.8 个请求：

$ go run . -version 2 -num_rounds 40
2020/08/27 18:21:40 Simulating client requests, round 1
2020/08/27 18:21:40 Stackdriver Profiler Go Agent version: 20200618
2020/08/27 18:21:40 profiler has started
2020/08/27 18:21:40 creating a new profile via profiler service
2020/08/27 18:21:44 Simulated 20 requests in 3.67s, rate of 5.449591 reqs / sec
2020/08/27 18:21:44 Simulating client requests, round 2
2020/08/27 18:21:47 Simulated 20 requests in 3.72s, rate of 5.376344 reqs / sec
2020/08/27 18:21:47 Simulating client requests, round 3
2020/08/27 18:21:51 Simulated 20 requests in 3.58s, rate of 5.586592 reqs / sec
...
2020/08/27 18:23:51 Simulating client requests, round 39
2020/08/27 18:23:54 Simulated 20 requests in 3.46s, rate of 5.780347 reqs / sec
2020/08/27 18:23:54 Simulating client requests, round 40
2020/08/27 18:23:58 Simulated 20 requests in 3.4s, rate of 5.882353 reqs / sec

对应用的微小更改有两个不同的效果：

• 每秒请求数从每秒 1 个增加到每秒 5.8 个。

• 每个请求的 CPU 时间从 23.7% 减少到 13.4%（计算方法是将 CPU 利用率除以每秒请求数）。

  请注意，虽然 CPU 使用时间从 2.37 秒（相当于单个 CPU 核心 23.7% 的利用率）增加到 7.8 秒（相当于单个 CPU 核心 78% 的利用率），但每个请求的 CPU 时间减少了。

使用分配的堆性能剖析文件提高资源使用率

本部分介绍如何使用堆和分配的堆性能剖析文件来识别应用中的分配密集型方法：

• 堆性能剖析文件显示收集性能剖析文件时程序的堆中分配的内存量。

• 分配的堆性能剖析文件显示收集性能剖析文件的时间间隔内程序的堆中分配的总内存量。通过将这些值除以 10 秒（性能剖析文件收集间隔），可以将这些值转换为分配速率。

启用堆性能剖析文件收集

1. 运行应用（应用版本设置为 3 并启用堆和分配的堆性能剖析文件收集）。

   go run . -version 3 -num_rounds 40 -heap -heap_alloc
   

2. 等待应用完成，然后查看此版本应用的性能剖析文件数据：

   • 点击立即以加载最新的性能剖析文件数据。
   • 在版本菜单中，选择 3。
   • 在 Profiler type 菜单中，选择分配的堆。

   如果是一个示例，火焰图如下所示：

   

确定堆分配速率

根帧显示了收集性能剖析文件的 10 秒内分配的堆总量（对所有性能剖析文件计算出的平均值）。在此示例中，根帧显示平均分配了 1.535 GiB 的内存。

修改应用

第 1 步：是否有必要尽可能降低堆分配速率？

Go 后台垃圾回收函数 runtime.gcBgMarkWorker.* 的 CPU 使用时间可用于确定优化应用以减少垃圾回收费用是否值得：

• 如果 CPU 使用时间少于 5%，请跳过优化。
• 如果 CPU 使用时间不少于 25%，则进行优化。

在此示例中，后台垃圾回收进程的 CPU 使用时间为 16.8%。此值足够高，值得尝试优化 shakesapp/server.go：

第 2 步：哪个函数分配大量内存？

文件 shakesapp/server.go 中包含两个可能可以优化的函数：GetMatchCount 和 readFiles。要确定这些函数的内存分配速率，请将性能剖析文件类型 (Profile type) 设置为分配的堆，然后使用 聚焦函数列表。

在此示例中，在 10 秒的性能剖析文件收集期间，readFiles.func1 的总计堆分配量平均约为 1.045 GiB，相当于 总计分配内存量的 68%。在 10 秒的性能剖析文件收集期间，自身堆分配量为 255.4 MiB：

在此示例中，在 10 秒的性能剖析文件收集期间，Go 方法 makeSlice 平均分配了 798.7 MiB 的内存。要减少这些分配，最简单的方法是减少对 makeSlice 的调用。函数 readFiles 通过库方法调用 makeSlice。

此分析结果表明可以通过优化 readFiles 来降低堆分配速率。

步骤 3：如何更改应用？

选项之一是修改应用以读取一次文件，然后重复使用该内容。例如，您可以进行以下更改：

1. 定义全局变量 files 以存储初始文件读取的结果：

   var files []string

2. 修改 readFiles，使其在 files 定义后尽早返回：

          func readFiles(ctx context.Context, bucketName, prefix string) ([]string, error) {
                   
                   // return if defined
                   if files != nil {
                           return files, nil
                   }
                   
   
                   // Existing
                   type resp struct {
                           s   string
                           err error
                   }
                   ...
                   
                   // Save the result in the variable files
                   files = make([]string, len(paths))
                   for i := 0; i < len(paths); i++ {
                           r := <-resps
                           if r.err != nil {
                                   return nil, r.err
                           }
                           files[i] = r.s
                   }
                   return files, nil
                   
           }
           

评估更改

如需评估更改，请执行以下操作：

1. 运行应用（将应用版本设置为 4）：

   go run . -version 4 -num_rounds 60 -heap -heap_alloc
   

2. 等待应用完成，然后查看此版本应用的性能剖析文件数据：

   • 点击立即以加载最新的性能剖析文件数据。
   • 在版本菜单中，选择 4。
   • 在 Profiler type 菜单中，选择分配的堆。

3. 要量化更改 readFiles 对堆分配速率的影响，请比较版本 4 和版本 3 收集的分配的堆性能剖析文件：

   

   根帧的提示表明，与版本 3 相比，版本 4 中性能剖析文件收集期间的平均分配内存量减少了 1.301 GiB。readFiles.func1 的提示显示减少了 1.045 GiB：

   

4. 要量化对垃圾回收的影响，请配置 CPU 时间性能剖析文件的比较。以下屏幕截图中应用了一个过滤条件以显示 Go 垃圾回收进程 runtime.gcBgMarkWorker.* 的堆栈。屏幕截图显示垃圾回收的 CPU 用量从 16.8% 减少到 4.97%。

   

5. 要确定应用每秒处理的请求数是否发生了变化，请查看 Cloud Shell 中的输出。在此示例中，版本 4 每秒最多完成 15 个请求，大大高于版本 3 的每秒 5.8 个请求。

   $ go run . -version 4 -num_rounds 60 -heap -heap_alloc
   2020/08/27 21:51:42 Simulating client requests, round 1
   2020/08/27 21:51:42 Stackdriver Profiler Go Agent version: 20200618
   2020/08/27 21:51:42 profiler has started
   2020/08/27 21:51:42 creating a new profile via profiler service
   2020/08/27 21:51:44 Simulated 20 requests in 1.47s, rate of 13.605442 reqs / sec
   2020/08/27 21:51:44 Simulating client requests, round 2
   2020/08/27 21:51:45 Simulated 20 requests in 1.3s, rate of 15.384615 reqs / sec
   2020/08/27 21:51:45 Simulating client requests, round 3
   2020/08/27 21:51:46 Simulated 20 requests in 1.31s, rate of 15.267176 reqs / sec
   ...
   

   应用每秒处理的查询次数增加可能会导致用于垃圾回收的时间减少。

• 您可以通过查看堆性能剖析文件更充分地了解修改对 readFiles 的影响。版本 4 和版本 3 堆性能剖析文件的比较显示，堆用量从 70.95 MiB 减少到了 18.47 MiB：

  

总结

在本快速入门中，CPU 时间和分配的堆性能剖析文件用于识别应用的潜在优化。目标是尽可能增加每秒请求数，并消除不必要的分配。

• 通过使用 CPU 时间性能剖析文件，识别出了 CPU 密集型函数。应用简单的更改后，服务器的请求率从每秒大约 1 次提高到每秒 5.8 次。

• 通过使用分配的堆性能剖析文件，识别出 shakesapp/server.go 函数 readFiles 具有较高的分配速率。优化 readFiles 后，服务器的请求率增加到每秒 15 个请求，并且 10 秒性能剖析文件收集期间分配的平均内存量减少了 1.301 GiB。

后续步骤

• 如需了解如何收集性能剖析文件并将其发送到您的 Google Cloud 项目，请参阅性能剖析文件收集。

• 阅读我们关于 DevOps 的资源，并了解我们的研究项目。

如需了解如何运行 Cloud Profiler 代理，请参阅：

• 剖析 Go 应用的性能
• 剖析 Java 应用的性能
• 剖析 Node.js 应用的性能
• 剖析 Python 应用的性能
• 剖析在 Google Cloud 外部运行的应用的性能