Solution-调试与性能分析
1. 调试
- 使用 Linux 上的
journalctl或 macOS 上的log show命令来获取最近一天中超级用户的登录信息及其所执行的指令。如果找不到相关信息，您可以执行一些无害的命令，例如sudo ls然后再次查看。 这里我在树莓派上查询相关日志pi@raspberrypi:~$ journalctl | grep sudo pi@raspberrypi:~$ sudo ls Bookshelf myconfig project proxy pi@raspberrypi:~$ journalctl | grep sudo May 16 03:06:04 raspberrypi sudo[799]: pi : TTY=pts/0 ; PWD=/home/pi ; USER=root ; COMMAND=/usr/bin/ls May 16 03:06:04 raspberrypi sudo[799]: pam_unix(sudo:session): session opened for user root by pi(uid=0) May 16 03:06:04 raspberrypi sudo[799]: pam_unix(sudo:session): session closed for user root pi@raspberrypi:~$在 Mac 上面使用下面的命令
log show --last 1h | grep sudo - 安装
shellcheck并尝试对下面的脚本进行检查。这段代码有什么问题吗？请修复相关问题。在您的编辑器中安装一个linter插件，这样它就可以自动地显示相关警告信息。#!/bin/sh ## Example: a typical script with several problems for f in $(ls *.m3u) do grep -qi hq.*mp3 $f \ && echo -e 'Playlist $f contains a HQ file in mp3 format' done在 Vim 中可以通过neomake插件来集成 shellcheck，在
~/.vimrc中添加Plug 'neomake/neomake'call plug#begin() Plug 'neomake/neomake' call plug#end()
然后在 vim 执行:PlugInstall安装插件
在需要检查的 shell 脚本中，执行:Neomake即可进行 shellcheck 检查。然后光标移动到对应行时可以看到告警或错误。
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(进阶题) 请阅读 可逆调试 并尝试创建一个可以工作的例子（使用
rr或RevPDB）。此例主要参考了debug-c-and-c++-programs-with-rr，使用的代码是demo.c
# perf内置在linux-tools中，使用rr需要先安装perf ~/debug $ sudo apt install linux-tools-common linux-tools-generic linux-tools-`uname -r` ~/debug $ sudo apt install rr ~/debug $ echo 1 | sudo tee /proc/sys/kernel/perf_event_paranoid ~/debug $ gcc -g demo.c -o demo ~/debug $ ./demo f(0)=0 f(1)=0 f(2)=0 f(3)=0 # 预期输出结果为[0, 2, 4, 6]# -n选项：输出./demo的运行结果 ~/debug $ sudo rr record -n ./demo rr: Saving execution to trace directory `/root/.local/share/rr/deom-1'. f(0)=0 f(1)=0 f(2)=0 f(3)=0 # 进入rr-debugger中调试代码 ~/debug $ sudo rr replay- 在demo.c中，print_array只是打印出stru.a数组的内容，所以出错的地方应该在打印之前，即可能是multiply函数的调用，在此设置断点。
(rr) b multiply # break简写为b Breakpoint 1 at 0x5568214c818c: file demorr.c, line 16. (rr) c # continue简写为c Continuing. Breakpoint 1, multiply (a=0x5568214cb018 <stru> "", size=4, num=0) at demorr.c:16 16 for (i=0; i<size; i++)- 注意到multiply中传入num的值为 0,正常应该是stru.num的初始值 2，使用watch来查看stru.num的值什么时候被改变的。
(rr) watch -l stru.num Hardware watchpoint 2: -location stru.num # reverse-continue简写为rc,回退到watchpoint的值被更改的地方 (rr) rc Continuing. Hardware watchpoint 2: -location stru.num # stru.num的值从 2 变为了 0（注意现在是使用rc反向调试） # stru.num的值的变更发生在initialize函数的调用中 Old value = 0 New value = 2 initialize (a=0x5568214cb018 <stru> "", size=3) at demorr.c:10 10 a[size--] = 0; (rr) q- 观察initialize函数中的语句，发现
size--先返回size值，再执行size=size-1的操作。而且，由于结构体中变量的内存空间是连续的，所以执行a[SIZE]=0时，把stru.num的值置为了 0。为此，将a[size--]=0修改为a[--size]=0，再观察输出结果。
~/debug $ vim demo.c ~/debug $ gcc -g demo.c -o demo ~/debug $ ./demo f(0)=0 f(1)=2 f(2)=4 f(3)=6
2. 性能分析
-
这里 有一些排序算法的实现。请使用
cProfile和line_profiler来比较插入排序和快速排序的性能。两种算法的瓶颈分别在哪里？然后使用memory_profiler来检查内存消耗，为什么插入排序更好一些？然后再看看原地排序版本的快排。附加题：使用perf来查看不同算法的循环次数及缓存命中及丢失情况。python -m cProfile -s time sorts.py #按照执行时间排序python -m cProfile -s time sorts.py | grep sorts.py 33748/1000 0.066 0.000 0.069 0.000 sorts.py:23(quicksort) 34356/1000 0.045 0.000 0.055 0.000 sorts.py:32(quicksort_inplace) 3 0.037 0.012 0.347 0.116 sorts.py:4(test_sorted) 1000 0.031 0.000 0.032 0.000 sorts.py:11(insertionsort) 1 0.007 0.007 0.385 0.385 sorts.py:1(<module>)使用
line_profiler进行分析，需要安装：pip install line_profiler然后为需要分析的函数添加装饰器
@profile，并执行：kernprof -l -v sorts.py首先对快速排序进行分析：
Wrote profile results to sorts.py.lprof Timer unit: 1e-06 s Total time: 0.490021 s File: sorts.py Function: quicksort at line 22 Line # Hits Time Per Hit % Time Line Contents ============================================================== 22 @profile 23 def quicksort(array): 24 32594 91770.0 2.8 18.7 if len(array) <= 1: 25 16797 36674.0 2.2 7.5 return array 26 15797 37626.0 2.4 7.7 pivot = array[0] 27 15797 125796.0 8.0 25.7 left = [i for i in array[1:] if i < pivot] 28 15797 119954.0 7.6 24.5 right = [i for i in array[1:] if i >= pivot] 29 15797 78201.0 5.0 16.0 return quicksort(left) + [pivot] + quicksort(right)然后对插入排序进行分析：
Total time: 1.33387 s File: sorts.py Function: insertionsort at line 11 Line # Hits Time Per Hit % Time Line Contents ============================================================== 11 @profile 12 def insertionsort(array): 13 14 26801 44242.0 1.7 3.3 for i in range(len(array)): 15 25801 43372.0 1.7 3.3 j = i-1 16 25801 41950.0 1.6 3.1 v = array[i] 17 234763 434280.0 1.8 32.6 while j >= 0 and v < array[j]: 18 208962 380062.0 1.8 28.5 array[j+1] = array[j] 19 208962 343217.0 1.6 25.7 j -= 1 20 25801 45248.0 1.8 3.4 array[j+1] = v 21 1000 1503.0 1.5 0.1 return array插入排序的耗时更高一些。快速排序的瓶颈在于
left和right的赋值，而插入排序的瓶颈在while循环。
使用memory_profiler进行分析，需要安装：pip install memory_profiler同样需要添加
@profile装饰器。 首先分析快速排序的内存使用情况：pi@raspberrypi:~$ python -m memory_profiler sorts.py Filename: sorts.py Line # Mem usage Increment Occurences Line Contents ============================================================ 22 20.199 MiB 20.199 MiB 32800 @profile 23 def quicksort(array): 24 20.199 MiB 0.000 MiB 32800 if len(array) <= 1: 25 20.199 MiB 0.000 MiB 16900 return array 26 20.199 MiB 0.000 MiB 15900 pivot = array[0] 27 20.199 MiB 0.000 MiB 152906 left = [i for i in array[1:] if i < pivot] 28 20.199 MiB 0.000 MiB 152906 right = [i for i in array[1:] if i >= pivot] 29 20.199 MiB 0.000 MiB 15900 return quicksort(left) + [pivot] + quicksort(right)然后分析插入排序的内存使用情况：
pi@raspberrypi:~$ python -m memory_profiler sorts.py Filename: sorts.py Line # Mem usage Increment Occurences Line Contents ============================================================ 11 20.234 MiB 20.234 MiB 1000 @profile 12 def insertionsort(array): 13 14 20.234 MiB 0.000 MiB 26638 for i in range(len(array)): 15 20.234 MiB 0.000 MiB 25638 j = i-1 16 20.234 MiB 0.000 MiB 25638 v = array[i] 17 20.234 MiB 0.000 MiB 237880 while j >= 0 and v < array[j]: 18 20.234 MiB 0.000 MiB 212242 array[j+1] = array[j] 19 20.234 MiB 0.000 MiB 212242 j -= 1 20 20.234 MiB 0.000 MiB 25638 array[j+1] = v 21 20.234 MiB 0.000 MiB 1000 return array同时对比原地操作的快速排序算法内存情况：
pi@raspberrypi:~$ python -m memory_profiler sorts.py Filename: sorts.py Line # Mem usage Increment Occurences Line Contents ============================================================ 31 20.121 MiB 20.121 MiB 33528 @profile 32 def quicksort_inplace(array, low=0, high=None): 33 20.121 MiB 0.000 MiB 33528 if len(array) <= 1: 34 20.121 MiB 0.000 MiB 42 return array 35 20.121 MiB 0.000 MiB 33486 if high is None: 36 20.121 MiB 0.000 MiB 958 high = len(array)-1 37 20.121 MiB 0.000 MiB 33486 if low >= high: 38 20.121 MiB 0.000 MiB 17222 return array 39 40 20.121 MiB 0.000 MiB 16264 pivot = array[high] 41 20.121 MiB 0.000 MiB 16264 j = low-1 42 20.121 MiB 0.000 MiB 124456 for i in range(low, high): 43 20.121 MiB 0.000 MiB 108192 if array[i] <= pivot: 44 20.121 MiB 0.000 MiB 55938 j += 1 45 20.121 MiB 0.000 MiB 55938 array[i], array[j] = array[j], array[i] 46 20.121 MiB 0.000 MiB 16264 array[high], array[j+1] = array[j+1], array[high] 47 20.121 MiB 0.000 MiB 16264 quicksort_inplace(array, low, j) 48 20.121 MiB 0.000 MiB 16264 quicksort_inplace(array, j+2, high) 49 20.121 MiB 0.000 MiB 16264 return array- 遗憾的是，按照上面的方法使用
memory_profiler给出的结果无法作为这三种排序算法内存消耗对比的依据（从我自己运行的结果来看，insertionsort的43.301MiB甚至还大于quicksort的43.195MiB，与预期结果相反!!） - 另外，观察三组结果中，函数的每一行的
Increment（即执行该行所导致的内存占用的增减变化）均为 0！这是由于test_sorted用于测试的list太小了，长度仅为1～50，导致排序算法中每一行创建的变量内存占用也很小。如果直接使用一个长度为2000的list来测试：l = [random.randint(0,10000) for i in range(0, 2000)]，会发现quicksort函数的Left或Right行的Increment数据不为 0（创建的list占用内存较大了）。与此同时，用该list测试insertionsort函数时，发现耗用时间较长。 - 参考python-profiling-memory-profiling这篇文章，使用一个长度为 10 000的list测试冒泡排序的内存消耗，需要将近30分钟才输出结果。（使用memory_profiler要权衡时间与效率）
使用perf检查每个算法的循环次数、缓存命中和丢失：
- insertionsort的结果
~/debug $ vim sorts.py # 修改main函数删除for循环，改为：test_sorted(insertionsort) ~/debug $ sudo perf stat -e cycles,cache-references,cache-misses python3 sorts.py Performance counter stats for 'python3 sorts.py': 187,253,954 cycles 5,023,695 cache-references 891,768 cache-misses # 17.751 % of all cache refs 0.099464106 seconds time elapsed 0.082930000 seconds user 0.016586000 seconds sys- quicksort的结果
~/debug $ vim sorts.py # main函数的内容改为：test_sorted(quicksort) ~/debug $ sudo perf stat -e cycles,cache-references,cache-misses python3 sorts.py Performance counter stats for 'python3 sorts.py': 192,741,421 cycles 6,843,630 cache-references 898,594 cache-misses # 13.130 % of all cache refs 0.057831555 seconds time elapsed 0.057863000 seconds user 0.000000000 seconds sys- quicksort_inplace的结果
~/debug $ vim sorts.py # main函数改为：test_sorted(quicksort_inplace) ~/debug $ sudo perf stat -e cycles,cache-references,cache-misses python3 sorts.py Performance counter stats for 'python3 sorts.py': 179,221,185 cycles 5,700,092 cache-references 892,157 cache-misses # 15.652 % of all cache refs 0.097429528 seconds time elapsed 0.089351000 seconds user 0.008122000 seconds sys - 遗憾的是，按照上面的方法使用
- 这里有一些用于计算斐波那契数列 Python 代码，它为计算每个数字都定义了一个函数：
#!/usr/bin/env python def fib0(): return 0 def fib1(): return 1 s = """def fib{}(): return fib{}() + fib{}()""" if __name__ == '__main__': for n in range(2, 10): exec(s.format(n, n-1, n-2)) # from functools import lru_cache # for n in range(10): # exec("fib{} = lru_cache(1)(fib{})".format(n, n)) print(eval("fib9()"))将代码拷贝到文件中使其变为一个可执行的程序。首先安装
pycallgraph和graphviz(如果您能够执行dot, 则说明已经安装了 GraphViz.)。并使用pycallgraph graphviz -- ./fib.py来执行代码并查看pycallgraph.png这个文件。fib0被调用了多少次？我们可以通过记忆法来对其进行优化。将注释掉的部分放开，然后重新生成图片。这回每个fibN函数被调用了多少次？setuptools版本过高可能导致pycallgraph安装失败
pip install "setuptools<58.0.0" pip install pycallgraph
放开注释内容后，再次执行：
注意：如果你是 Python 2.7的话，需要修改一下注释的内容:from backports.functools_lru_cache import lru_cache不过生成的图片里面会包含很多不相关的内容。
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我们经常会遇到的情况是某个我们希望去监听的端口已经被其他进程占用了。让我们通过进程的PID查找相应的进程。首先执行
python -m http.server 4444启动一个最简单的 web 服务器来监听4444端口。在另外一个终端中，执行lsof | grep LISTEN打印出所有监听端口的进程及相应的端口。找到对应的 PID 然后使用kill <PID>停止该进程。
- 限制进程资源也是一个非常有用的技术。执行
stress -c 3并使用htop对 CPU 消耗进行可视化。现在，执行taskset --cpu-list 0,2 stress -c 3并可视化。stress占用了3个 CPU 吗？为什么没有？阅读man taskset来寻找答案。附加题：使用cgroups来实现相同的操作，限制stress -m的内存使用。
首先是设备正常运行状态下的资源占用情况：
创建负载：
stress -c 3
限制资源消耗taskset --cpu-list 0,2 stress -c 3
taskset 命令可以将任务绑定到指定CPU核心。
接下来看cgroups是如何工作的，我参考了两篇文章：首先我们看一下如何创建内存负载，这里创建 3 个 worker 来不停的申请释放 512M 内存：
stress -m 3 --vm-bytes 512M
由于题目要求限制内存的使用，首先我们看一下内存设备是否已经挂载：root@raspberrypi:~# lssubsys -am memory cpuset /sys/fs/cgroup/cpuset cpu,cpuacct /sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct blkio /sys/fs/cgroup/blkio devices /sys/fs/cgroup/devices freezer /sys/fs/cgroup/freezer net_cls,net_prio /sys/fs/cgroup/net_cls,net_prio perf_event /sys/fs/cgroup/perf_event pids /sys/fs/cgroup/pids root@raspberrypi:~#内存没挂载的情况下，需要手动挂载：
mount -t cgroup -o memory memory /sys/fs/cgroup/memory我在树莓派上出现了不能挂载的情况，此时需要修改
boot.cmdline.txt，添加：cgroup_enable=memory cgroup_memory=1然后重启，再次查看
pi@raspberrypi:~$ lssubsys -am cpuset /sys/fs/cgroup/cpuset cpu,cpuacct /sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct blkio /sys/fs/cgroup/blkio memory /sys/fs/cgroup/memory devices /sys/fs/cgroup/devices freezer /sys/fs/cgroup/freezer net_cls,net_prio /sys/fs/cgroup/net_cls,net_prio perf_event /sys/fs/cgroup/perf_event pids /sys/fs/cgroup/pids pi@raspberrypi:~$已经挂载成功，然后创建组并写入规则（内存限制为128M）
root@raspberrypi:/home/pi# cgcreate -g memory:cgroup_test_group root@raspberrypi:/home/pi# echo 128M > /sys/fs/cgroup/memory/cgroup_test_group/memory.limit_in_bytes然后在控制组中运行
stress，创建 3 个 worker 申请 512M 内存：oot@raspberrypi:/home/pi# cgexec -g memory:cgroup_test_group stress -m 3 --vm-bytes 512M stress: info: [832] dispatching hogs: 0 cpu, 0 io, 3 vm, 0 hdd stress: FAIL: [832] (415) <-- worker 833 got signal 9 stress: WARN: [832] (417) now reaping child worker processes stress: FAIL: [832] (451) failed run completed in 5s执行失败。
如果是申请 1M 内存，则可以成功运行：cgexec -g memory:cgroup_test_group stress -m 3 --vm-bytes 1M
下面是使用cgroupV2限制stress命令内存的示例：比较新版本的Ubuntu默认安装
cgroup v2，可以参考Ubuntu激活cgroupv2。下面，将使用cgroupv2实现限制进程内存消耗的操作，更多信息可参考详解CgroupV2。设置，使用cgroup2
~ $ grep cgroup /proc/filesystems nodev cgroup nodev cgroup2 # 输出结果有cgroup2,说明当前系统支持cgroup2 ~ $ sudo vim /etc/default/grub # 查找变量GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT,将原来的行注释掉 # 新增一行：GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="systemd.unified_cgroup_hierarchy=1" ~ $ sudo update-grub ~ $ reboot重启后，检查：
~ $ cat /sys/fs/cgroup/cgroup.controllers cpuset cpu io memory hugetlb pids rdma misc # 这些是cgroup挂载的控制器 ~ $ sudo su root@laihj:~# cd /sys/fs/cgroup # 该目录为cgroup的根root,在其下创建的子目录是其节点 root@laihj:/sys/fs/cgroup# mkdir -p test test/cg root@laihj:/sys/fs/cgroup# ls test cg cgroup.type memory.numa_stat cgroup.controllers cpu.pressure memory.oom.group cgroup.events cpu.stat memory.pressure cgroup.freeze io.pressure memory.stat cgroup.kill memory.current memory.swap.current cgroup.max.depth memory.events memory.swap.events cgroup.max.descendants memory.events.local memory.swap.high cgroup.procs memory.high memory.swap.max cgroup.stat memory.low pids.current cgroup.subtree_control memory.max pids.events cgroup.threads memory.min pids.max root@laihj:/sys/fs/cgroup# ls test/cg cgroup.controllers cgroup.max.descendants cgroup.type cgroup.events cgroup.procs cpu.pressure cgroup.freeze cgroup.stat cpu.stat cgroup.kill cgroup.subtree_control io.pressure cgroup.max.depth cgroup.threads memory.pressure # test节点挂载了memory控制器，所以目录下出现了"memory.*"文件为test/cg挂载memory控制器，并设置memory的使用大小
root@laihj:/sys/fs/cgroup# cd test root@laihj:/sys/fs/cgroup/test# cat cgroup.subtree_control root@laihj:/sys/fs/cgroup/test# echo "+memory" > cgroup.subtree_control root@laihj:/sys/fs/cgroup/test# cat cgroup.subtree_control memory root@laihj:/sys/fs/cgroup/test# echo 100M > memory.max root@laihj:/sys/fs/cgroup/test# echo 0 > memory.swap.max # 设置memory的最大使用量为 100M,同时，必须限制内存交换空间的使用将当前的
bash session pid写入cg中，接下来在bash中执行的所有命令会受到刚才的memory设置的影响（注意，除了根，进程只能驻留在叶节点（没有子cgroup目录的cgroup目录echo $$ > test/cgroup.procs会报错））root@laihj:/sys/fs/cgroup/test# echo $$ > cg/cgroup.procs root@laihj:/sys/fs/cgroup/test# stress -m 3 --vm-bytes 200M stress: info: [5018] dispatching hogs: 0 cpu, 0 io, 3 vm, 0 hdd stress: FAIL: [5018] (416) <-- worker 5020 got signal 9 stress: WARN: [5018] (418) now reaping child worker processes stress: FAIL: [5018] (452) failed run completed in 0s root@laihj:/sys/fs/cgroup/test# stress -m 3 --vm-bytes 40M # 3 个 worker 各分配 40M,总的 120M,仍超过了设置的100M上限 stress: info: [5030] dispatching hogs: 0 cpu, 0 io, 3 vm, 0 hdd stress: FAIL: [5030] (416) <-- worker 5032 got signal 9 stress: WARN: [5030] (418) now reaping child worker processes stress: FAIL: [5030] (452) failed run completed in 0s root@laihj:/sys/fs/cgroup/test# stress -m 3 --vm-bytes 20M stress: info: [5034] dispatching hogs: 0 cpu, 0 io, 3 vm, 0 hdd ^C # 正常执行，按下ctrl+C终止stress命令删除cgroup下的节点，需要从叶节点开始（最内层的目录）
# 确保test/cg中的进程全部停止，这里需要退出当前bash session,即关闭终端，然后，重新开启 ~ $ sudo rmdir /sys/fs/cgroup/test/cg ~ $ sudo rmdir /sys/fs/cgroup/test - (进阶题)
curl ipinfo.io命令或执行 HTTP 请求并获取关于您 IP 的信息。打开 Wireshark 并抓取curl发起的请求和收到的回复报文。（提示：可以使用http进行过滤，只显示 HTTP 报文） 这里我使用的是curl www.baidu.com，请求百度的首页并过滤了除 HTTP 之外的其他报文：
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