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编写高性能.net代码--性能评估及工具

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昨天脑图有背景色，影响阅读，今天调整了下

1 性能评估及工具

●1.1 选择评估内容

●举个例子：内存

在做性能优化计划或研究时，应该自上而下地进行。先确保程序结构和算法的合理性，再往下面几层推进。宏观的优化（macro-optimization）总是比微观优化（micro-optimization）更加有效

●好的指标–可测量的数字

差的目标：用户界面应该响应迅速。好的目标：任何操作都不会阻塞UI线程超过20 ms。但只是能被量化还不够，还需要十分精确，正如前面的内存优化案例中所述。差的目标：内存占用应该小于1 GB。好的目标：当负载为每秒100个请求时，工作集内存的占用不能超过1 GB。

●目标值的决定因素–应用程序的类型

带有用户界面的程序必须不惜一切代价保证UI线程的响应能力，无论执行任何任务时都应如此。而服务器端程序每秒要处理几十、几百，甚至几千个请求。它必须非常高效地完成I/O操作和数据同步，以保证吞吐量和CPU利用率的最大化。因此服务器端程序的设计完全不同于其他程序。如果某个应用程序的基础架构先天不足，对效率问题考虑欠佳，那么再回头去修正就很难了

●设计阶段的重要性

●理解整体架构和约束条件

在设计阶段时，你需要理解整体架构和约束条件，不然你就会遗漏一些关键点，这将严重制约程序的运行。你必须在设计阶段就把性能目标预先考虑进去

●安全性

在软件设计阶段，就得考虑安全性等很多方面的问题。性能问题也一样，不能事后再议，必须从一开始就提出明确的目标。要想从头开始把一个已有的应用程序重新设计一遍，这是不可能的，这比一开始就考虑周全要付出多得多的代价

●性能分析

在项目初始阶段的性能分析，与开发完成即将进入测试阶段的分析是不一样的。在初始阶段必须得保证设计的灵活性，确保技术路线在理论上能完成任务，确保在架构上没有大的问题以免除后患。一旦项目进入测试、部署和维护阶段，就得把更多的精力投入微观优化、具体代码方式的分析、减少内存占用等工作

●优化的定律

最后，你还需要了解阿姆达尔定律（Ahmdals’s Law，参见http://www.writinghighperf.net/go/3[PDF]），特别是其应用于顺序执行程序的情况，以便能找到哪部分程序是需要优化的。那些不能明显改善整体性能的微观优化，多半是在浪费时间。为了获得最佳效果，应该优先优化那些效率最低的部分。优化永远不可能面面俱到，得有一个明智的起点。因此，准备好优化目标，再有一套优秀的评估系统，这些都是十分重要的。不然你连从哪儿开始都不知道。

●1.2 平均值还是百分位值

这里有18个样本数据，平均值为17 ms，但95％百分位值远大于50ms。如果只看平均值，你也许不会注意到垃圾回收引起的延时问题，但有了百分位值，判断就更加全面，你会发现垃圾回收过程有时候的性能会很差

●如果只看平均值，你也许不会注意到垃圾回收引起的延时问题，但有了百分位值，判断就更加全面

●中间值（50％百分位值）与平均值的差距相当大。那些占比高的数值，对平均值的影响往往较大

●对于可用性要求很高的服务，百分位值通常要重要得多。可用性要求越高，需要跟踪评估的百分位值就越高

●1.3 评估工具

●评估、评估、再评估

你确实可以只靠查看代码或者直觉获得很多经验，也会获得一些哪里存在性能问题的强烈暗示。你甚至会找对地方，但请彻底打消省略性能评估的念头，除非是些微不足道的问题。原因有两个

●精确找到性能问题所在

●不清楚出错的频率

●如果缺少有效的评估工具，性能的优化就毫无意义

●Visual Studio

●Visual Studio Standalone Profiler

●在Concurrency模式下，如果使用锁或者其他同步对象时发生了资源访问冲突，将会把所有事件记录在案。假如因为资源争用导致了线程阻塞，利用这个模式就会知晓。关于异步编程及统计锁争用次数的详细信息

●ETW即Event Tracing for Windows，是由操作系统提供的事件日志，速度很快，效率也很高。所有应用程序都会生成事件，探查器（Profiler）可以捕获这些事件进行各种分析。第8章介绍了如何在应用程序中充分利用ETW事件，包括捕获预置事件及定义自己的事件

●1.3.2 性能计数器-- PerfMon.exe

●物理内存

●虚拟内存

●保留内存

●已提交内存

物理存在的一段内存，既可能位于RAM中，也可能是在磁盘上

●内存页

内存单位。每页包含了多个已分配的内存块，内存块的单位通常是KB

●页面交换

在多个虚拟内存区域之间交换内存页的过程。内存页既可能与其他进程交换（软交换，Soft Paging），也可能与硬盘交换（硬交换，Hard Paging）。软交换的速度可以非常快

●调入内存页

把内存页从其他地方送入当前进程。

●调出内存页

把内存页从当前进程送出至其他地方，比如磁盘

●上下文切换

保存和恢复线程或进程状态的过程。因为线程数目通常总是多于可用处理器数，所以往往每秒会发生多次上下文切换

●内核模式

该模式下允许操作系统修改底层硬件参数，比如修改某些寄存器，或是启用/禁用中断。切换到内核模式需要调用操作系统API，并且开销相当大

●用户模式

用于执行普通指令的非特权模式，此时无法修改系统底层参数

●Privileged Time

执行特权指令（内核模式）的时间开销。

●Processor Time

应用程序占用单个处理器的百分比。如果应用程序占用了2个逻辑处理器，每个都是100％，那么本计数器值将会是200

●User Time

执行非特权指令（用户模式）的时间开销

●IO Data Bytes/sec——I/O数据量

●Page Faults/sec——缺页中断总数

每当有一页内存不在当前内存工作集中时，就会触发缺页中断。重点是本数值既包含内存软缺页（Soft Page Fault），又包含内存硬缺页（Hard Page Fault）。软缺页对性能没什么大碍，可能是为了调取已加载但不属于当前进程的内存页（比如属于共享DLL的内存页）。硬缺页对性能的影响则要严重得多，因为这意味着数据位于磁盘而非内存中。不幸的是，你无法通过性能计数器跟踪每个进程的硬缺页情况，但可以利用Memory\Page Reads/sec计数器观察到整个系统的硬缺页情况。你可以将某个进程的缺页中断总数和系统的内存读取总页数（硬缺页）结合起来，进行关联分析。通过ETW跟踪Windows Kernel/Memory/Hard Fault事件，可以准确地跟踪某个进程的硬缺页情况。

●Pool Nonpaged Bytes

通常这部分内存是分配给操作系统和驱动程序的，用于存放不允许被页面交换出去的数据，比如线程和互斥锁（Mutex）之类的操作系统对象，以及自定义数据

●Pool Paged Bytes——同样用于存放操作系统数据，但这些数据允许被页面交换出去

●Private Bytes——某个进程专有的已提交虚拟内存（未与其他进程共享）

●Virtual Bytes——进程地址空间内已分配的内存，有些可能是由页面交换文件提供的，有些是与其他进程共享的，还有些内存则是进程专有的

●Working Set——当前驻留在物理内存（通常是RAM）中的虚拟内存数量

●Working Set-Private——当前驻留在物理内存中的进程专有内存数量（Private Bytes）

●Thread Count——进程中的线程数，且与.NET线程数无关。关于.NET线程相关的计数器

●Objects——内核对象（kernel-owned object）数据，比如事件、互斥锁、进程、线程、信号量、临界区

●System——上下文交换、内存对齐修正、文件操作、进程、线程等数量

●1.3.3 ETW 事件 http://www.writinghighperf.net/go/6

●ETW系统的效率非常高，可以用最小的开销处理大量事件

每个事件还带有一个由Provider定义的自定义数据字段，描述了某些状态信息。比如Runtime的垃圾回收事件会给出当前属于第几代垃圾回收、是否后台回收等信息

●内存/硬件错误（Memory/Hard Fault）。

●磁盘读取（DiskIO/Read）。

●磁盘写入（DiskIO/Write）。

●进程启动（Process/Start）。

●进程停止（Process/Stop）。

●TCP/IP建立连接（TcpIp/Connect）

●TCP/IP断开连接（TcpIp/Disconnect）。

●线程启动（Thread/Start）。

●线程停止（Thread/Stop）

●1.3.4 PerfView

●以下是一些我经常被问到的PerfView使用问题

●CPU占用率在哪里显示？●什么程序分配到的内存最多？●已被分配最多的资源是什么？●什么原因导致了第2代垃圾回收？●第0代垃圾回收平均多久发生一次？●我的代码JIT编译花了多长时间？●竞争最激烈的是什么锁？●我的内存托管堆情况如何？

●用PerfView进行事件收集和分析的基本步骤

1．在“Collect”菜单中选择“Collect”菜单项。2．在弹出的对话框中设置所需参数。a．展开“Advanced Options”选择需要捕获的事件类型，尽量缩小范围 b．如果当前版本不是.NET 3.5，请选中“No V3.X NGEN Symbols”勾选框。c．可以指定“Max Collect Sec”参数，以便在该指定时间后自动停止收集工作。3．单击“Start Collection”按钮。4．如果未设置“Max Collect Sec”参数，请在数据收集完成后单击“Stop Collection”按钮。5．等待事件分析完成。6．在结果树中选择各种视图来查看结果

●PerfView貌似大多是在对内存和CPU进行分析，但请别忘记它真的只是一个通用的调用栈收集程序，这些调用栈可能来自任何ETW事件。PerfView可以用来分析锁竞争的来源、磁盘I/O等所有应用程序事件，同样提供了强大的分组和折叠显示能力。