Python パフォーマンス分析ツールの概要

パフォーマンス分析およびチューニングツールの紹介

プログラムの実行効率を向上させたい、どの部分がボトルネックになっているのかを確認したい、実行時のメモリやCPUの使用状況を知りたい、ということは必ずあります。プログラムが実行中です。現時点では、プログラムのパフォーマンス分析とチューニングを実行するためのいくつかの方法が必要になります。

コンテキスト マネージャーによる

コンテキスト マネージャーは、以前の timeit の紹介記事で行われたことを参照して、クラスの __enter__ メソッドと __exit__ メソッドを定義することで、独自にタイマーを実装できます。

# timer.py
import time

class Timer(object):
    def __init__(self, verbose=False):
        self.verbose = verbose

    def __enter__(self):
        self.start = time.time()
        return self

    def __exit__(self, *args):
        self.end = time.time()
        self.secs = self.end - self.start
        self.msecs = self.secs * 1000            # 毫秒
        if self.verbose:
            print 'elapsed time: %f ms' % self.msecs

使い方は以下の通りです:

from timer import Timer

with Timer() as t:
    foo()
print "=> foo() spends %s s" % t.secs

Decoratorによる

ただし、デコレータメソッドの方がエレガントだと思います

import time
from functools import wraps

def timer(function):
    @wraps(function)
    def function_timer(*args, **kwargs):
        t0 = time.time()
        result = function(*args, **kwargs)
        t1 = time.time()
        print ("Total time running %s: %s seconds" %
                (function.func_name, str(t1-t0))
                )
        return result
    return function_timer

使い方はとても簡単です:

@timer
def my_sum(n):
    return sum([i for i in range(n)])

if __name__ == "__main__":
    my_sum(10000000)

実行結果:

➜  python profile.py
Total time running my_sum: 0.817697048187 seconds

システム独自の時間コマンド

使用例は以下のとおりです:

➜ time python profile.py
Total time running my_sum: 0.854454040527 seconds
python profile.py  0.79s user 0.18s system 98% cpu 0.977 total

上記の結果の説明: スクリプトの実行に 0.79 秒の CPU 時間が消費され、カーネル関数の実行に 0.18 秒が消費され、合計時間は 0.977 秒です。

そのうち、合計時間 - (ユーザー時間 + システム時間) = 入出力および他のタスクのシステム実行に費やされる時間

python timeit モジュール

はベンチマークに使用でき、プログラムの回数を簡単に繰り返すことができますView プログラムは複数のブロックを実行できます。詳しくは以前書いた記事をご参照ください。

cProfile

注釈付きの使用例を見てください。

#coding=utf8

def sum_num(max_num):
    total = 0
    for i in range(max_num):
        total += i
    return total


def test():
    total = 0
    for i in range(40000):
        total += i

    t1 = sum_num(100000)
    t2 = sum_num(200000)
    t3 = sum_num(300000)
    t4 = sum_num(400000)
    t5 = sum_num(500000)
    test2()

    return total

def test2():
    total = 0
    for i in range(40000):
        total += i

    t6 = sum_num(600000)
    t7 = sum_num(700000)

    return total


if __name__ == "__main__":
    import cProfile

    # # 直接把分析结果打印到控制台
    # cProfile.run("test()")
    # # 把分析结果保存到文件中
    # cProfile.run("test()", filename="result.out")
    # 增加排序方式
    cProfile.run("test()", filename="result.out", sort="cumulative")

cProfile は分析結果を result.out ファイルに保存しますが、それを直接表示したい場合は、提供されている pstats を使用してください。

import pstats

# 创建Stats对象
p = pstats.Stats("result.out")

# strip_dirs(): 去掉无关的路径信息
# sort_stats(): 排序，支持的方式和上述的一致
# print_stats(): 打印分析结果，可以指定打印前几行

# 和直接运行cProfile.run("test()")的结果是一样的
p.strip_dirs().sort_stats(-1).print_stats()

# 按照函数名排序，只打印前3行函数的信息, 参数还可为小数,表示前百分之几的函数信息
p.strip_dirs().sort_stats("name").print_stats(3)

# 按照运行时间和函数名进行排序
p.strip_dirs().sort_stats("cumulative", "name").print_stats(0.5)

# 如果想知道有哪些函数调用了sum_num
p.print_callers(0.5, "sum_num")

# 查看test()函数中调用了哪些函数
p.print_callees("test")

出力例をインターセプトして、どの関数が test() によって呼び出されるかを確認します:

➜  python python profile.py
   Random listing order was used
   List reduced from 6 to 2 due to restriction <&#39;test&#39;>

Function              called...
                          ncalls  tottime  cumtime
profile.py:24(test2)  ->       2    0.061    0.077  profile.py:3(sum_num)
                               1    0.000    0.000  {range}
profile.py:10(test)   ->       5    0.073    0.094  profile.py:3(sum_num)
                               1    0.002    0.079  profile.py:24(test2)
                               1    0.001    0.001  {range}

profile.Profile

cProfile には、より詳細な分析のためのカスタマイズ可能なクラスも用意されています。詳細についてはドキュメントを参照してください。

形式は次のようになります: class profile.Profile(timer=None, timeunit=0.0, subcalls=True,builtins=True)
次の例は公式ドキュメントからのものです:

import cProfile, pstats, StringIO
pr = cProfile.Profile()
pr.enable()
# ... do something ...
pr.disable()
s = StringIO.StringIO()
sortby = 'cumulative'
ps = pstats.Stats(pr, stream=s).sort_stats(sortby)
ps.print_stats()
print s.getvalue()

lineprofiler

lineprofiler是一个对函数进行逐行性能分析的工具，可以参见github项目说明，地址: https://github.com/rkern/line...

示例

#coding=utf8

def sum_num(max_num):
    total = 0
    for i in range(max_num):
        total += i
    return total


@profile                     # 添加@profile 来标注分析哪个函数
def test():
    total = 0
    for i in range(40000):
        total += i

    t1 = sum_num(10000000)
    t2 = sum_num(200000)
    t3 = sum_num(300000)
    t4 = sum_num(400000)
    t5 = sum_num(500000)
    test2()

    return total

def test2():
    total = 0
    for i in range(40000):
        total += i

    t6 = sum_num(600000)
    t7 = sum_num(700000)

    return total

test()

通过 kernprof 命令来注入分析，运行结果如下：

➜ kernprof -l -v profile.py
Wrote profile results to profile.py.lprof
Timer unit: 1e-06 s

Total time: 3.80125 s
File: profile.py
Function: test at line 10

Line #      Hits         Time  Per Hit   % Time  Line Contents
==============================================================
    10                                           @profile
    11                                           def test():
    12         1            5      5.0      0.0      total = 0
    13     40001        19511      0.5      0.5      for i in range(40000):
    14     40000        19066      0.5      0.5          total += i
    15
    16         1      2974373 2974373.0     78.2      t1 = sum_num(10000000)
    17         1        58702  58702.0      1.5      t2 = sum_num(200000)
    18         1        81170  81170.0      2.1      t3 = sum_num(300000)
    19         1       114901 114901.0      3.0      t4 = sum_num(400000)
    20         1       155261 155261.0      4.1      t5 = sum_num(500000)
    21         1       378257 378257.0     10.0      test2()
    22
    23         1            2      2.0      0.0      return total

hits（执行次数） 和 time（耗时） 值高的地方是有比较大优化空间的地方。

memoryprofiler

类似于"lineprofiler"对基于行分析程序内存使用情况的模块。github 地址：https://github.com/fabianp/me... 。ps:安装 psutil, 会分析的更快。

同样是上面"lineprofiler"中的代码，运行 python -m memory_profiler profile.py 命令生成结果如下:

➜ python -m memory_profiler profile.py
Filename: profile.py

Line #    Mem usage    Increment   Line Contents
================================================
    10   24.473 MiB    0.000 MiB   @profile
    11                             def test():
    12   24.473 MiB    0.000 MiB       total = 0
    13   25.719 MiB    1.246 MiB       for i in range(40000):
    14   25.719 MiB    0.000 MiB           total += i
    15
    16  335.594 MiB  309.875 MiB       t1 = sum_num(10000000)
    17  337.121 MiB    1.527 MiB       t2 = sum_num(200000)
    18  339.410 MiB    2.289 MiB       t3 = sum_num(300000)
    19  342.465 MiB    3.055 MiB       t4 = sum_num(400000)
    20  346.281 MiB    3.816 MiB       t5 = sum_num(500000)
    21  356.203 MiB    9.922 MiB       test2()
    22
    23  356.203 MiB    0.000 MiB       return total