王 卉，趙政文，齊萬華

(西北工業(yè)大學計算機學院，西安 710068)

1 引言

隨著軟件的發(fā)展和應用，用戶關注的已經(jīng)不僅僅是軟件的功能，性能也開始成為關注的焦點。因此開發(fā)人員希望通過對被測系統(tǒng)進行性能測試，定位性能瓶頸，分析引起性能問題的原因。由于軟件的性能最終要通過系統(tǒng)的整體性能表現(xiàn)出來，一般開發(fā)人員因為各種因素，并不能通過代碼來對系統(tǒng)的資源利用率和相關資源(如網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫、應用服務器等)的使用和消耗數(shù)據(jù)進行性能分析和測試。Windows作為最廣泛使用的操作系統(tǒng)，對其內核的運行狀態(tài)進行可視化研究很有意義。

可視化泛指利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數(shù)據(jù)轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來并進行交互處理的理論、方法和技術，這是一個展示數(shù)據(jù)并獲得對數(shù)據(jù)更深層次認識的過程?；赪indows內核運行過程的可視化系統(tǒng)通過調用ETW，并在開發(fā)程序的關鍵處插入代碼，當代碼在內核中運行時，以事件跟蹤的方式實時進行采集、解析，并通過可視化界面工具打開。由此開發(fā)人員可以通過代碼運行時系統(tǒng)的資源利用率和對相關資源(如網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫、應用服務器等)的使用等進行性能分析和測試。

2 內核運行數(shù)據(jù)的采集和解析

作為性能分析及數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)，應遵守以下準則:

(1)真實性:采集出的數(shù)據(jù)可視化后反應的是真實的系統(tǒng)運行狀況，獲取系統(tǒng)最真實的性能表現(xiàn)。

(2)動態(tài)性:體現(xiàn)各種操作執(zhí)行的時序關系。

(3)可靠性，系統(tǒng)具有容錯能力和可連續(xù)運行的能力。

(4)可用性，系統(tǒng)開銷要小，不會嚴重降低系統(tǒng)和網(wǎng)絡性能。

(5)適應性，對系統(tǒng)來說必須是易于開發(fā)的，可添加新的功能，能隨時適應系統(tǒng)環(huán)境的改變。

Windows事件跟蹤(ETW)是操作系統(tǒng)提供的一個高速通用的跟蹤工具，能夠滿足上述需求。ETW的優(yōu)勢在于結合使用系統(tǒng)內核模式和用戶模式的組件，優(yōu)化事件日志的快速寫入，在實際操作環(huán)境中實現(xiàn)詳細跟蹤。ETW在內核中實現(xiàn)緩沖和日志記錄機制，日志記錄機制使用處理器的緩沖區(qū)，當緩沖區(qū)滿或是ETW會話終止時，系統(tǒng)將提前轉儲緩沖區(qū)的內容，由異步寫線程將這些緩沖區(qū)寫入磁盤。這樣，在寫入事件時大型服務器應用程序所受的干擾可以被降至最小。從Windows Vista開始，微軟新推出了ETW統(tǒng)一事件提供程序模型和API。使用ETW提供的程序API，任何應用程序DLL或驅動程序都可以成為事件的提供程序(引發(fā)事件的組件)，因此任何可被記錄的重要活動都可以成為事件。

使用系統(tǒng)附帶的控制器應用程序logman，在本地和遠程系統(tǒng)上調用 ETW，以“事件跟蹤方式(event trace)”對于指定時間段內的事件跟蹤日志進行收集。使用logman工具啟動ETW會話和事件提供程序，由提供程序引發(fā)的事件寫入ETW會話中，當會話終止時，跟蹤事件跟蹤器將日志記錄在以.etl為擴展名的二進制文件中。數(shù)據(jù)解析主要是依據(jù)事件的不同類型，不同觀察粒度對采集的二進制數(shù)據(jù)提取進程/線程號、時間戳、提供程序GUID、CPU時間、CPU ID等等，并且通過數(shù)據(jù)的分類整理，轉變?yōu)橐?guī)整的可視化工具數(shù)據(jù)。

3 內核數(shù)據(jù)的可視化

可視化界面沿著時間軸真實的還原了代碼運行時，進程的整個運行狀態(tài)，包括磁盤和CPU占用時間狀況和調度狀況、進程間的通信狀況。

可視化工具，是利用MFC編程實現(xiàn)的。把采集出的信息進行解析處理，將解析出的數(shù)據(jù)導入到可視化工具，輸出可視化界面，如圖1所示。

圖1 一個java進程的可視化實例

圖1展示一個java線程沿著時間軸的整個事務過程。圖的左側是系統(tǒng)運行時進程的列表，包括進程名和線程號。右側就是所有進程/線程在內核中運行的圖形顯示，進程/線程對CPU和磁盤的使用分開表示，進程/線程在CPU使用時，將之劃分為“可執(zhí)行狀態(tài)”、“執(zhí)行中”和“休眠狀態(tài)”三種狀態(tài)，在“執(zhí)行中”狀態(tài)根據(jù)用戶模式、內核模式、缺頁異常等活動類型，根據(jù)進程/線程的狀態(tài)和活動類型的不同，以適當?shù)念伾右詤^(qū)分。當線程從休眠狀態(tài)變?yōu)榭蓤?zhí)行狀態(tài)時使用箭頭表示，以不同的顏色進行區(qū)分wakeup的原因，如網(wǎng)絡時間中斷、時間片中斷、其他進程中斷等等。時間軸顯示的是相對時間，可以通過修改設置，變?yōu)榻^對時間。

圖1中顯示ID號為17631的java線程與ID號為17657的postmaster線程之間通信的動作。圖1中ID號為17631的java線程有“202”的數(shù)字，是事件提供程序ApProbe Trace在應用程序中插入的探測點，“202”作為methodID是用戶自定義的，通過這些探測點的加入，用戶可以更好的跟蹤代碼在內核中運行的真實狀況。

4 使用可視化分析軟件性能問題

4.1 單一事務的性能驗證的方法

圖2所示的是用戶點擊使用flash制作的網(wǎng)頁鏈接時一個事務的執(zhí)行過程，可視化界面上顯示從瀏覽器進程結束到Framework進程的執(zhí)行中出現(xiàn)了延遲，并且瀏覽器進程占用了很多資源，消耗了很多時間。這些延遲和消耗過多的資源需要具體分析其原因，也可以將運行程序在不同的配置環(huán)境中運行，得出可視化界面，分析是因為系統(tǒng)環(huán)境造成的延遲和損耗還是因為代碼等其他原因。

因此通過內核運行的可視化界面，開發(fā)人員能夠真實的了解到應用程序在各種不同操作系統(tǒng)內核中的運行狀態(tài)，對比性能指標進行性能分析。

圖2 一個事務執(zhí)行過程的圖形化顯示

4.2 軟件性能分析實例

某一Java產(chǎn)品一到自己的框架處理處響應時間就從40毫秒增加到700毫秒。開發(fā)人員無法分析出問題原因，通過使用本系統(tǒng)，使動作/性能可視化、只用了半天時間問題點就明確化，問題得到解決。

通過可視化測試結果，進行詳細分析，發(fā)現(xiàn)有兩個問題，見圖3中第一幅圖虛線框出的①和②兩個部分。

圖3 利用可視化進行性能分析的實例

問題:

①CPU等待/空閑區(qū)間過多;

②與其他Java線程之間通信頻繁。

根據(jù)問題應采取以下措施進行改善:

①CPU等待/空閑區(qū)間的原因檢討;

②減少java線程間的通信次數(shù);

③減少java線程的訪問時間。

通過以上三點對代碼進行改善，再次運行后，對比發(fā)現(xiàn):改善前需要312毫秒的處理時間，改善后只需要69毫秒(約1/5)。

注:上下兩幅圖倍率，區(qū)間相同(時間間隔200毫秒)

5 結 束 語

與 Windows Performance Monitor相比，Event Tracing for Windows旨在提供較低開銷的跟蹤。ETW通常占用不超過5%的CPU，它每秒可以記錄多達20，000條事件，啟用實時跟蹤會相當快。在性能調查過程中，通常會檢查四個因素:CPU、磁盤I/O、內存和可伸縮性。大多數(shù)調查都將從CPU開始，CPU將影響應用程序的啟動和執(zhí)行時間。在診斷較長的啟動時間時，檢查磁盤I/O是最有用的，磁盤I/O是冷啟動時間的主要因素，冷啟動時間是指內存中沒有某個應用程序時(如重啟后)啟動此應用程序所花的時間，而過多的內存消耗(或泄露)可能會導致應用程序隨時間的流逝變得更慢。

通過對Windows操作系統(tǒng)內核進行可視化，并結合一個例子展示了性能分析的應用。實例證明對內核狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集、解析和還原對性能優(yōu)化是可用的，目前的工作已獲得階段性成果。但是利用系統(tǒng)的可視化界面進行軟件性能分析和優(yōu)化，需要有專業(yè)知識的開發(fā)人員去完成。如何更好的使用這一工具，還需要進一步的研究。

［1］Darren Mar－Elia.深入 Windows跟蹤日志［J］.系統(tǒng)網(wǎng)絡，2004，1(1):50 －57.

［2］Dr.Insung Park，Alex Bendetovers.Event Tracing for Windows［EB/OL］.MSDN Magazine.(2009) ［2012］.http://msdn.microsoft.com/zh － cn/magazine/ee 412263.aspx.

［3］Dr.Insung Park，Ricky Buch.使用 ETW 改善調試和性能優(yōu)化［EB/OL］.MSDN Magazine，(2007)［2012］，http://msdn.microsoft.com/zh － cn/magazine/cc 163437.aspx.

［4］RUSSINOVICH ME，SOLOMON DA.深入解析 Windows操作系統(tǒng):MicrosoftWindowsServe:2003，Windows XP and Windows2000技術內幕［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［5］Carver，R.H.，K.－ C.Tai.Use of sequencing constraints for specification－based testing of concurrent programs［J］.IEEE Transactions on Software Engineering，1998，24(6):471－490.

［6］Emrath，P.A.，S.Ghosh，D.A.Padua.Detecting nondeterminacy in parallel programs［J］.IEEE Software，1992，9(1):69－77.

［7］劉群策.LoadRunner和軟件項目性能測試［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［8］段念.軟件性能測試過程詳解與案例剖析［M］.北京:清華大學出版社，2006.