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调试与性能分析 ​

第 3 讲 · Debugging and ProfilingMIT Missing Semester 第 3 讲：视频、讲义和课后练习课后练习答案非官方，仅供参考

调试与日志 ​

  • 程序执行的是写下的代码，不是你的预期
  • 最小可复现示例
  • 二分注释代码与二分输入
  • 在边界打印参数验证假设
  • print 只输出中间状态
  • 日志级别 DEBUG、INFO、WARN、ERROR
  • 按级别过滤，运行时开关
  • 日志分流到文件、stderr、syslog
  • 结构化日志：JSON Lines
  • 时间戳与 request_id
  • 惰性格式化 log.debug("%s", x)
  • 修完后把 print 改成 log.debug
  • -v、-vv 提高详细度
  • /var/log 与 journalctl -u
  • 第三方库的调试环境变量
  • LLM 解释报错与崩溃栈

调试器 ​

  • 调试器与 print 的适用边界
  • 不知道打印什么时用调试器
  • 启动慢、状态难重建的程序
  • gdb 与 lldb 调试原生二进制
  • -g 生成 DWARF 调试信息
  • run、break、continue
  • step 与 next
  • finish 跑完当前函数
  • print、info locals
  • bt 与 frame N
  • 条件断点 break ... if
  • watch 观察变量写入
  • gdb -tui 与 Ctrl-x a
  • core 文件与 coredumpctl
  • -fno-omit-frame-pointer
  • pdb、debugpy、jdb

记录回放调试 ​

  • Heisenbug：一观察就消失
  • 加 print 后不再复现
  • 竞态与时序依赖
  • 记录执行，确定性重放
  • rr record 与 rr replay
  • 重放直接进入 GDB
  • reverse-continue 反向运行
  • reverse-step 与 reverse-next
  • reverse-finish 反向出栈
  • watchpoint 回追写入
  • 仅支持 Linux
  • 依赖硬件性能计数器
  • 云主机与 GPU 的限制
  • 线程调度被序列化
  • 多次录制抓间歇失败
  • macOS 上的 Warpspeed

系统调用与追踪 ​

  • 系统调用是程序与内核的边界
  • strace ./prog
  • -e trace=file 与 trace=network
  • -f 跟随子进程
  • -p PID 附加到运行中进程
  • -T 显示单次调用耗时
  • -c 汇总次数与时间
  • 返回值与 errno
  • macOS 的 dtruss 与 SIP
  • eBPF 与 bpftrace 的 tracepoint:syscalls:*
  • @[probe] = count() 聚合
  • 按 comm、pid、cpid 过滤
  • bcc 的 opensnoop、biosnoop
  • tcpdump -i any port 80
  • -w 存 pcap 交给 Wireshark
  • HTTPS 用 mitmproxy 或浏览器面板

内存错误 ​

  • 越界、use-after-free、泄漏
  • 错误延迟到远处才崩溃
  • Sanitizer 是编译期插桩
  • -fsanitize=address
  • ASan 抓堆、栈、全局越界
  • ASan 的分配栈与释放栈
  • -fsanitize=thread 抓数据竞争
  • -fsanitize=memory 抓未初始化读取
  • -fsanitize=undefined 抓未定义行为
  • ASan 与 TSan 不能同时开
  • MSan 需要全量插桩
  • Valgrind 无需重编译
  • --leak-check=full
  • definitely lost 与 still reachable
  • ASAN_OPTIONS=halt_on_error=1
  • sanitizer 构建进 CI

计时与资源监控 ​

  • time 的 real、user、sys
  • real 包含等待时间
  • 多线程下 user + sys 可超过 real
  • real 远大于 CPU 时间说明在等 I/O
  • /usr/bin/time -v
  • htop 的 F6、t、H
  • iotop 看进程级磁盘 I/O
  • free -h 看 available
  • lsof 查打开的文件
  • ss -tlnp 查监听端口
  • lsof -i :8080
  • nethogs 与 iftop
  • 日志输出 timestamp,value CSV
  • gnuplot -e 直接画线
  • matplotlib 与 ggplot2 分面
  • 周期性尖峰与 GC 停顿

CPU 性能分析 ​

  • 采样 profiler 与追踪 profiler
  • 采样开销低，适合生产
  • 追踪记录每次调用，精确但慢
  • perf stat 总览硬件计数器
  • insn per cycle 与 branch-misses
  • perf record -g 记录调用栈
  • perf report 与 perf script
  • stackcollapse-perf.pl 生成火焰图
  • 火焰图 X 轴是样本占比
  • 火焰图 Y 轴是调用深度
  • 颜色无语义，左右不是时间
  • perf_event_paranoid 权限
  • valgrind --tool=callgrind
  • callgrind_annotate、kcachegrind
  • cProfile、py-spy、pprof
  • cargo flamegraph、taskset

内存分析与基准测试 ​

  • Massif 采样堆使用量
  • valgrind --tool=massif
  • ms_print 看曲线与快照
  • 峰值不回落不等于泄漏
  • memory-profiler 逐行分析
  • @profile 只在对应模块生效
  • hyperfine 多次测量
  • --warmup 预热缓存
  • --prepare 重置状态
  • --runs 与 --export-json
  • 均值、标准差与极值
  • 微基准不等于真实负载
  • 后台噪声与 CPU 降频
  • DevTools Performance 面板
  • Firefox Profiler
  • 优化后重跑基准

容易混淆的问题 ​

  • print 与 logging 该选哪个
  • 日志该写 stdout 还是 stderr
  • gdb 断点为什么没停
  • watch 与条件断点有什么区别
  • rr 为什么录不出竞态
  • strace 与 bpftrace 怎么选
  • ASan、Valgrind、Massif 分别查什么
  • user + sys 超过 real 正常吗
  • 火焰图能看出调用先后顺序吗
  • 采样 profiler 会漏掉什么