在Linux上，使用time優雅的統計程序運行時間
大家好，我是肖邦。
最近在使用 time 命令時，無意間發現了一些隱藏的小秘密和強大功能，今天分享給大家。
time 在 Linux 下是比較常用的命令，可以幫助我們方便的計算程序的運行時間，對比采用不同方案時程序的運行性能。看似簡單的命令，其實蘊藏著很多細節和技巧，來跟著肖邦一起學習吧。
1 基礎用法詳解
先來看下最基礎的用法，也可能是大家最常見的用法了
- root@chopin:~$ time find . -name "chopin.txt"
- ......
- real 0m0.174s
- user 0m0.084s
- sys 0m0.084s
可以很清楚看到，find 命令執行的時間為 0.174s，是不是很簡單，很方便呢
不過，time 命令輸出了三個參數，我們只用到了第一個參數，其它兩個參數代表什么含義呢？
這里我來解釋一下：
- real：表示的是墻上時間，說白了，其實就是從程序運行開始到結束所經歷的時間；
- user：表示程序運行期間，cpu 在用戶態所花費的時間；
- sys：表示程序運行期間，cpu 在內核態所花費的時間；
細心的讀者會發現，上述案例中的 user + sys 不等于 real，這是怎么回事呢？
其實上邊解釋的 user 和 sys，是 cpu 執行指令所消耗的時間，并不包含：進程阻塞 IO、調度排隊，這些非 cpu 運行時間。
案例中 find 執行查找文件過程中，會有磁盤 IO 讀取，這時 cpu 會被釋放出來干別的事情，這些 IO 消耗的時間，是不包含在 user 和 sys 統計數據中，所以就出現了 real 時間大于 user + sys 了。
再通過一個示例來驗證并加強我們的理解
- root@chopin:~$ time sleep 2
- real 0m2.001s
- user 0m0.000s
- sys 0m0.000s
可以清楚地看到，sleep 命令基本上沒有消耗 cpu，程序真實的運行時間就是 2 秒
那我們是不是可以得出如下結論了呢:
real >= user + sys
其實這個結論在單個 cpu 情況下，是正確的。
如果服務器是多個 cpu，你的程序正好可以將多個 cpu 充分利用起來，程序運行期間是多核心并行的，那么 user + sys 統計的 cpu 時間可能就會大于 real 時間啦
所以這 3 個時間之間的關系并不是恒定的，你需要清楚的了解服務器是否為多個核心。
通過統計到的 cpu 消耗時間，我們也可以大概知道，程序運行期間 cpu 利用情況。對于單核，計算密集型的程序，real 會很接近 user 和 sys 時間之和的。
Tips：有些同學可能對操作系統可能不太熟悉，這里簡單科普下內核態和用戶態的基本概念
Linux 為使系統更穩定，采取了隔離保護的措施，運行狀態分為內核態和用戶態：
- 用戶態：用戶代碼不具備直接訪問底層資源的能力，需要借助內核提供的系統調用 API。在這種隔離保護下，即使用戶程序崩潰，也不會影響整個系統的功能。
- 內核態：內核代碼具備最大權限，可執行任意 cpu 指令，不受任何限制。內核態通常是操作系統提供的最底層、最可靠的代碼運行的，內核態的代碼崩潰是災難性的，影響整個系統的正常運行。
2 你運行的可能是假time
time 還有其它功能嗎？看一下幫助文檔吧
- root@chopin:~$ time --help
- --help: command not found
- real 0m0.129s
- user 0m0.084s
- sys 0m0.036s
竟然報錯，將 --help 當成了命令來執行了，難道 time 就這么點能耐嗎？
好吧，我也不賣關子了，直接說答案：你運行的可能是假time。你可能有點懵逼，怎么就假的了。
其實在 Linux 系統上，使用 time 時，你可能會遇到三種版本：
- # 1. Bash
- time is a shell keyword
- # 2. Zsh
- time is a reserved word
- # 3. GNU time
- time is /usr/bin/time
我們當前 Shell 是 Bash，可以通過 type 命令
- root@chopin:~$ type time
- time is a shell keyword
可以看到，我們剛才執行的 time 是 Shell 的內置命令，如果你用的是 zsh，默認使用的 time 也是對應內置命令。
GNU time 命令路徑是 /usr/bin/time，一般的 Linux 發行版都帶有這個命令，它才是我們今天的豬腳。
3 更強大的功能
GNU time 命令提供了更強大的功能：
- 更詳細的統計信息
- 更豐富的格式輸出
- 支持保存統計數據到文件
下邊我們來學習寫 GNU time 的使用
1. 最簡單的用法
- root@chopin:~$ /usr/bin/time sleep 2
- 0.00user 0.00system 0:02.00elapsed 0%CPU (0avgtext+0avgdata 1784maxresident)k
- 0inputs+0outputs (0major+72minor)pagefaults 0swaps
使用 GNU time 命令，直接使用絕對路徑即可，我們可以看到輸出信息更多了，不過格式有點丑，后邊會講如何自定義格式。
2. 保持內置 time 的輸出樣式
有同學會問，能輸出內置 Shell 那種的格式么？可以的，使用 -p 選項即可
- root@chopin:~$ /usr/bin/time -p sleep 2
- real 2.00
- user 0.00
- sys 0.00
3. 輸出更詳細的信息
還可以輸出更加詳細的信息，讓你對程序運行信息一目了然。請使用 -v 選項
- root@chopin:~$ /usr/bin/time -v sleep 2
- Command being timed: "sleep 2"
- User time (seconds): 0.00
- System time (seconds): 0.00
- Percent of CPU this job got: 0%
- Elapsed (wall clock) time (h:mm:ss or m:ss): 0:02.00
- Average shared text size (kbytes): 0
- Average unshared data size (kbytes): 0
- Average stack size (kbytes): 0
- Average total size (kbytes): 0
- Maximum resident set size (kbytes): 1804
- Average resident set size (kbytes): 0
- Major (requiring I/O) page faults: 0
- Minor (reclaiming a frame) page faults: 71
- Voluntary context switches: 1
- Involuntary context switches: 1
- Swaps: 0
- File system inputs: 0
- File system outputs: 0
- Socket messages sent: 0
- Socket messages received: 0
- Signals delivered: 0
- Page size (bytes): 4096
- Exit status: 0
這里詳細介紹下 time 命令輸出各項指標
（一）時間相關
（二）內存相關
（三）IO 相關
4. 統計信息輸出到文件
如果你希望將 time 統計的信息輸出到文件，可以使用 -o 選項
- root@chopin:~$ /usr/bin/time -v -o a.txt sleep 2
統計信息直接保存到了 a.txt，如果你希望統計信息能夠追加到文件，可以額外加 -a 選項
5. 自定義格式輸出
如果命令中內置的輸出格式，不符合你的需求，GNU time 可以支持自定義輸出格式，通過選項 -f 可以各種指標參數
- /usr/bin/time -f "real %e\nuser %U\nsys %S\n" sleep 1
- real 1.00
- user 0.00
- sys 0.00
具體支持的格式，貼心的肖邦已經幫你整理好了
這些格式參數太多了，平時大部分情況用不到，可以收藏起來，以便后期使用時可以快速參考。
4 在性能分析中的作用
看到這么多系統參數指標，難免會有同學會感到疑惑，這些參數能干什么呀？
其實這些指標，對應到操作系統 cpu、內存、IO 這幾方面。深刻的理解了這些指標參數，可以幫助你從本質上把握程序的運行情況，甚至可以協助你分析程序的性能瓶頸。
下邊我簡單解釋幾個概念，希望能起到拋磚引玉的作用。
（一）CPU 時間
cpu 時間包括：real、user、sys，當 user + sys >= real 時，說明該程序是計算密集型；當 user + sys 遠小于 real 時，說明存在較多的 IO 等待。
（二）上下文切換
平時所說的上下文，是指進程的運行環境，包括當時的寄存器值、內存堆棧等信息，內核可以根據上下文完全恢復一個被打斷的進程任務。
當執行系統調用、進程切換時，都會產生上下文切換。切換上下文時，操作系統需要為進程保存和恢復上下文信息。
上下文切換分為主動和被動兩種，主動上下文切換多，說明存在較多的阻塞調用；被動上下文切換說明 cpu 使用率高。
當上下文切換過多時，意味著較多的 cpu 時間花費在上下文切換上，導致 cpu 處理進程任務的有效時間大大減少。
（三）缺頁異常
次缺頁異常較多，說明程序的內存布局相對合理，命中率高；當主缺頁異常較多時，說明程序對內存的訪問跳躍性大，命中率低。
處理缺頁異常和切換上下文的時間，不包含在 user 和 sys 中，當發現 user + sys 遠小于 real 時，則很可能大部分時間都消耗在這些地方，需要重點分析這兩點。
