近日在一次測試Linux內(nèi)核路由查找算法的過程中，發(fā)現(xiàn)一個printf語句竟然能將性能降低2/3。當然，使用“竟然”一詞并不意味著這個問題是第一次發(fā)現(xiàn)，我的想法是，把它記錄下來，讓沒有經(jīng)驗的同學對printf知其所以然，同時導出我對“性能攸關(guān)”的這類算法中記錄日志的一個觀點。

聲明

我不會把大段的源代碼貼在文章中，而只是希望能通過闡述原理把我的意思表達清楚。誠然，作為程序員沒有代碼好像一切都會很虛，不過同樣的，也是因為代碼，總是會把人逼進死胡同，代碼只是一種實現(xiàn)，理解了原理，作為一個懂編程的程序員，任何人都可以寫出一個自己的實現(xiàn)。
我會給出原理圖，但是這圖決不是我憑空想象的，來源在哪？當然是UNIX的相關(guān)標準以及Linux的具體實現(xiàn)代碼。既然原理來自于Linux的代碼，為何不貼出來分析一下呢？要知道，代碼隨著Linux的內(nèi)核版本，C庫的版本以及應(yīng)用程序的版本變化而變化，不變的是思想！UNIX歷經(jīng)幾十年，其思想不還在指導著千千萬萬的程序員嗎？另外，有誰會去通讀Linux內(nèi)核代碼呢？對于大多數(shù)的人而言，如果想知道printf或者任何其它的接口的原理，肯定不會去擺開架勢做出一副要先了解Linux內(nèi)核架構(gòu)，C庫架構(gòu)作為前置知識，然后去跟蹤調(diào)試其實現(xiàn)。在以上這個過程中，你會把大量的精力消耗在理解不相關(guān)的內(nèi)容上，比如函數(shù)調(diào)用關(guān)系，層層嵌套的條件語句，或者調(diào)試器怎么使用，諸如此類。

關(guān)于printf

printf是一個接口，跟UNIX標準IO的write系統(tǒng)調(diào)用類似，但是更像C庫的fwrite，因為同系列的函數(shù)中還有一個fprintf(至于同系列其它的函數(shù)，請自行man)。printf和fwrite的區(qū)別在于兩點：

1.它可以格式化輸出，如果用fwrite，它接受的是一個固定的buffer，你不得不在調(diào)fwrite之前先使用sprintf之類的函數(shù)格式化buffer；

2.它免除了你的fopen-fwrite-fclose這個序列的調(diào)用，因為它直接將格式化的內(nèi)容寫入UNIX進程自然打開的1號文件描述符，即標準輸出。

既然printf寫入了標準輸出，那么接下來就要定義什么是標準輸出。在早期UNIX年代，人們在終端或者偽終端操作機器，那時的輸入基本都是鍵盤，磁帶更古老的東西，而輸出就是一個計算結(jié)果，需要展示出來給人看的那種，一般為終端屏幕，也可以是一條紙帶，那么程序怎么知道輸入和輸出到底是什么呢？這就需要程序明確指定。UNIX的“一切皆文件”思想以及“分離抽象”思想徹底改變了這一切。

UNIX定義了抽象文件描述符0，1，2分別為標準輸入，標準輸出，標準錯誤輸出。至于它們到底對應(yīng)什么設(shè)備，你可以在程序初始化的時候顯式重定向到任意設(shè)備，也可以在外部shell做類似的重定向，這樣就把指明設(shè)備這件事從程序分離了出來。

我為什么不統(tǒng)一說一下fwrite調(diào)用對程序性能的影響呢？因為該調(diào)用之前你必須執(zhí)行fopen，而fopen的一個參數(shù)明確表示了你希望寫入的對象是什么，這就不會帶來異議，畢竟如果你非要在性能測試的時候?qū)慍F卡，那也是你愿意。printf就不同了，它對效率的影響取決于標準輸出是什么以及你是如何重定向標準輸出的，所謂的標準輸出并不是真實的設(shè)備，它只是一個抽象層，具體如何解釋標準輸出，還要依靠外部。

數(shù)據(jù)都去哪兒了

我以下面這個超級小的程序來說明printf的時候，數(shù)據(jù)都去哪了：

#include #include 
int main(int argc, char **argv){        int i = 0;        int c = atoi(argv[1]);        for(; i < c; i++) {                printf("############  %d
", i);        }        return 0;}

我先給出結(jié)果：
1.在/dev/tty1上直接執(zhí)行time ./test 1000
...
######### 995
######### 996
######### 997
######### 998
######### 999

real 0m0.414s
user 0m0.003s
sys 0m0.411s

2.在/dev/tty1上執(zhí)行time ./test 1000 >/dev/tty2
real 0m0.007s
user 0m0.003s
sys 0m0.007s

3.在SecureCRT上執(zhí)行time ./test 1000
...
######### 997
######### 998
######### 999

real 0m0.010s
user 0m0.002s
sys 0m0.003s

4.在SecureCRT上執(zhí)行time ./test 100000 >/dev/tty1,此時不切換tty
...
等了幾秒，無結(jié)果，于是在鍵盤按下Alt-F2，切換到第二個tty，馬上顯示出了結(jié)果：
real 0m4.276s
user 0m0.066s
sys 0m4.204s

5.在tty1上執(zhí)行time ./test 100000 >/dev/tty2：
real 0m0.499s
user 0m0.081s
sys 0m0.410s

6.在tty1上執(zhí)行time ./test 100000 >/dev/null
real 0m0.030s
user 0m0.028s
sys 0m0.001s

通過以上的結(jié)果數(shù)據(jù)，我們可以得到以下的結(jié)論：

a.對于tty終端而言，如果當前終端不是寫入的終端，那么開銷主要在內(nèi)核態(tài)，且開銷不是很大；

b.對于tty終端而言，如果當前終端是寫入的終端，那么開銷主要在內(nèi)核態(tài)，且開銷很大；

c.對于不管是tty還是遠程的pty終端，寫入/dev/null的開銷主要在用戶態(tài)，開銷不大；

d.對于pty遠程終端（/dev/pts/X），不管寫入的是不是當前的pty終端，開銷主要在內(nèi)核態(tài)，且開銷不是很大

e.對應(yīng)上面的結(jié)果和結(jié)論，下面給出一幅圖解，詳細解釋一下printf冰山下面的秘密：

我想上圖已經(jīng)很清楚了，如果不懂什么叫行規(guī)程（也叫線路規(guī)程）的話，請閱讀《UNIX環(huán)境高級編程》的終端和偽終端章節(jié)，簡單來說，它就是一個中間層，用來適配VFS接口和底層的具體驅(qū)動，比如解釋和處理控制字符等。從上面的圖中，我們可以看出，主要的開銷幾乎都集中在底層，而底層卻偏偏是我們不能控制或者很難控制的。之所以上面的測試例子中ssh登錄的終端對test性能的測試效果良好，但是那是因為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境好，你在一個64kbps相隔5k公里的線路上試一下。

小小的printf下面竟然藏著如此多的內(nèi)容，并且很可能就是它成了你的程序的性能瓶頸，因為最底層的影響因素往往是不可控的。那么是不是就是意味著我要建議大家從來不用printf打印呢？或者說干脆就不要用標準輸出呢？并不是這樣。但是為何不把打印這種事交給本機的另一個進程呢？事實上，幾乎所有的需要記錄日志的系統(tǒng)都是這么做的，而syslog則迎合了這個思想。這種思想的背后就是“用可控制的一次IPC替換不可控制冰山之下的茫茫深?！?/p>

關(guān)于日志記錄

日志記錄一直都是“薛定諤貓”式的東西，因為日志記錄作為一段代碼，它已經(jīng)是程序的一部分，不可能獨立地觀察程序的行為，如果說用鏡像系統(tǒng)的話，那么這種行為就是被動的，你不得不鏡像每一條指令，以發(fā)現(xiàn)一些關(guān)鍵的信息，要想主動記錄關(guān)鍵事件，必須用日志系統(tǒng)。打印日志可以方便信息獲取和審計，但是代價有時也是高昂的：

1.你要設(shè)計一套日志回滾系統(tǒng)，防止存儲空間被撐爆；

2.你要讓日志記錄盡快完成，不能降低關(guān)鍵路徑的性能；

3.你要反復調(diào)試代碼，確保日志記錄的緩沖區(qū)不會溢出；

4.為了讓日志更短，語言能力不好的人組織的日志就像電報一樣難以理解。

我認為，日志記錄應(yīng)該遵循以下的原則：

1.除非必須要把事件發(fā)生的時間記錄下來，否則就用計數(shù)器代替日志記錄，一系列的事件映射成一系列的計數(shù)器，由用戶決定什么時候查看事件發(fā)生了。事實上，Linux的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)就是用的這種方式，所有的/proc/net/netstat就是這個查看接口。

2.一定要有一個日志級別控制選項，用戶可以決定是否記錄日志，以及記錄的日志詳細到什么程度。