time(1)输出中’real’、’user’和’sys’的含义

技术背景

在使用time命令分析程序性能时，会看到real、user和sys这三个时间统计信息。理解它们的含义有助于我们深入了解程序的运行状况，判断程序是CPU密集型还是I/O密集型等。

实现步骤

理解三个时间的含义

• Real：指实际经过的时间，即从调用开始到结束的挂钟时间。这包括其他进程使用的时间片以及进程处于阻塞状态所花费的时间（例如等待I/O完成）。
• User：是进程在用户模式代码（内核之外）中花费的CPU时间。这仅指执行进程时实际使用的CPU时间，其他进程和进程阻塞的时间不计入该数值。
• Sys：是进程在内核中花费的CPU时间。这意味着在内核中执行系统调用所花费的CPU时间，与仍在用户空间运行的库代码不同。和user一样，这只是进程使用的CPU时间。

统计信息的来源

• User和Sys：根据具体系统，来自wait (2) 或 times (2)。
• Real：根据从gettimeofday (2)调用获取的开始和结束时间计算得出。

核心代码

sleep 系统调用示例

#define _XOPEN_SOURCE 700
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
    sleep(1);
    return EXIT_SUCCESS;
}

多线程示例

#define _XOPEN_SOURCE 700
#include <assert.h>
#include <inttypes.h>
#include <pthread.h>
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

uint64_t niters;

void* my_thread(void *arg) {
    uint64_t *argument, i, result;
    argument = (uint64_t *)arg;
    result = *argument;
    for (i = 0; i < niters; ++i) {
        result = (result * result) - (3 * result) + 1;
    }
    *argument = result;
    return NULL;
}

int main(int argc, char **argv) {
    size_t nthreads;
    pthread_t *threads;
    uint64_t rc, i, *thread_args;

    /* CLI args. */
    if (argc > 1) {
        niters = strtoll(argv[1], NULL, 0);
    } else {
        niters = 1000000000;
    }
    if (argc > 2) {
        nthreads = strtoll(argv[2], NULL, 0);
    } else {
        nthreads = 1;
    }
    threads = malloc(nthreads * sizeof(*threads));
    thread_args = malloc(nthreads * sizeof(*thread_args));

    /* Create all threads */
    for (i = 0; i < nthreads; ++i) {
        thread_args[i] = i;
        rc = pthread_create(
            &threads[i],
            NULL,
            my_thread,
            (void*)&thread_args[i]
        );
        assert(rc == 0);
    }

    /* Wait for all threads to complete */
    for (i = 0; i < nthreads; ++i) {
        rc = pthread_join(threads[i], NULL);
        assert(rc == 0);
        printf("%" PRIu64 " %" PRIu64 "\n", i, thread_args[i]);
    }

    free(threads);
    free(thread_args);
    return EXIT_SUCCESS;
}

sendfile 示例

#define _GNU_SOURCE
#include <assert.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/sendfile.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char **argv) {
    char *source_path, *dest_path;
    int source, dest;
    struct stat stat_source;
    if (argc > 1) {
        source_path = argv[1];
    } else {
        source_path = "sendfile.in.tmp";
    }
    if (argc > 2) {
        dest_path = argv[2];
    } else {
        dest_path = "sendfile.out.tmp";
    }
    source = open(source_path, O_RDONLY);
    assert(source != -1);
    dest = open(dest_path, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);
    assert(dest != -1);
    assert(fstat(source, &stat_source) != -1);
    assert(sendfile(dest, source, 0, stat_source.st_size) != -1);
    assert(close(source) != -1);
    assert(close(dest) != -1);
    return EXIT_SUCCESS;
}

最佳实践

• 判断程序类型：通过比较real、user和sys的时间，可以判断程序是CPU密集型还是I/O密集型。如果user + sys接近real，则程序可能是CPU密集型；如果real远大于user + sys，则程序可能是I/O密集型。
• 评估并行效率：对于多线程程序，检查user时间是否超过real时间，以及user与real的比例是否接近核心数，可评估并行化的有效性。

常见问题

real 与 user + sys 不相等的原因

• 多核心并行：在多核系统中，user和sys时间（以及它们的总和）可能会超过real时间，因为不同的线程或进程可以并行运行。
• 阻塞等待：进程在等待I/O完成或其他资源时，real时间会增加，但user和sys时间不会计算等待时间，导致real > user + sys。

不同实现的time命令

• Bash关键字：在Ubuntu上直接使用time <cmd>，使用的是Bash关键字，其实现使用gettimeofday()和getrusage()（如果可用），否则使用times()。
• GNU Coreutils：使用/usr/bin/time时，使用GNU Coreutils实现，会根据情况使用非POSIX的BSD wait3调用或times和gettimeofday。