使用pycallgraph分析python程式碼函數調用流程以及框架
技術背景
在上一篇部落格中，我們介紹了使用量子計算模擬器ProjectQ去生成一個隨機數，也介紹了隨機數的應用場景等。但是有些時候我們希望可以打開這裡面實現的原理，去看看在產生隨機數的過程中經歷了哪些運算，調用了哪些模組。只有梳理清楚這些相關的內容，我們才能夠更好的使用這個產生隨機數的功能。這裡我們就引入一個工具pycallgraph，可以根據執行的程式碼，給出這些程式碼背後所封裝和調用的所有函數、類的關係圖，讓我們一起來了解下這個工具的安裝和使用方法。
Manjaro平台安裝graphviz
首先用pip安裝graphviz：
[dechin@dechin-manjaro callgraph]$ python3 -m pip install graphviz
Collecting graphviz
Downloading graphviz-0.16-py2.py3-none-any.whl (19 kB)
Installing collected packages: graphviz
Successfully installed graphviz-0.16
然後再安裝pycallgraph，這兩者有先後的依賴關係：
[dechin@dechin-manjaro callgraph]$ python3 -m pip install pycallgraph
Collecting pycallgraph
Downloading pycallgraph-1.0.1.tar.gz (36 kB)
Building wheels for collected packages: pycallgraph
Building wheel for pycallgraph (setup.py) ... done
Created wheel for pycallgraph: filename=pycallgraph-1.0.1-py3-none-any.whl size=35943 sha256=d0ee9415d7c268f6964f4a0fd1dc6ec3e039b6bedfe4844de6c1eb8fd0a61389
Stored in directory: /home/dechin/.cache/pip/wheels/c1/6c/a0/22b61ff9ca89881bb8d030ecd019b84697a39e7b187bc57938
Successfully built pycallgraph
Installing collected packages: pycallgraph
Successfully installed pycallgraph-1.0.1
用dot -v指令驗證一下graphviz是否安裝成功：
[dechin@dechin-manjaro callgraph]$ dot -v
bash: dot：未找到命令
咦？明明參考的正確方法，graphviz咋沒有裝上呢？經過面向Google的編程技術，發現了原來在系統上需要先安裝一個graphviz，這裡展示的是Manjaro Linux平台的安裝方法：
[dechin-manjaro callgraph]# pacman -S graphviz
正在解析依賴關係...
正在查找軟體包衝突...
軟體包 (3) gts-0.7.6.121130-2 netpbm-10.73.33-1 graphviz-2.44.1-6
下載大小： 9.74 MiB
全部安裝大小： 24.73 MiB
:: 進行安裝嗎？ [Y/n] Y
:: 正在獲取軟體包......
netpbm-10.73.33-1-x86_64 1867.1 KiB 6.51 MiB/s 00:00 [####################################] 100%
gts-0.7.6.121130-2-x86_64 211.0 KiB 12.1 MiB/s 00:00 [####################################] 100%
錯誤：無法從 mirrors.ustc.edu.cn : The requested URL returned error: 404 獲取文件 'graphviz-2.44.1-6-x86_64.pkg.tar.zst'
錯誤：無法從 mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn : The requested URL returned error: 404 獲取文件 'graphviz-2.44.1-6-x86_64.pkg.tar.zst'
錯誤：無法從 mirrors.huaweicloud.com : The requested URL returned error: 404 獲取文件 'graphviz-2.44.1-6-x86_64.pkg.tar.zst'
錯誤：無法從 mirrors.sjtug.sjtu.edu.cn : The requested URL returned error: 404 獲取文件 'graphviz-2.44.1-6-x86_64.pkg.tar.zst'
錯誤：無法從 mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn : The requested URL returned error: 404 獲取文件 'graphviz-2.44.1-6-x86_64.pkg.tar.zst'
錯誤：無法從 mirrors.aliyun.com : The requested URL returned error: 404 獲取文件 'graphviz-2.44.1-6-x86_64.pkg.tar.zst'
警告：無法獲取某些文件
錯誤：無法提交處理 (無法獲取某些文件)
發生錯誤，沒有軟體包被更新。
咦？再一次遇到了問題，配置了這麼多鏡像源咋都安裝不上？再經過一番面向Google的編程，發現更新一下源就可以用了：
[dechin-manjaro callgraph]# pacman -Syy
:: 正在同步軟體包資料庫...
core 165.3 KiB 1968 KiB/s 00:00 [####################################] 100%
extra 1987.0 KiB 9.11 MiB/s 00:00 [####################################] 100%
community 6.6 MiB 9.93 MiB/s 00:01 [####################################] 100%
multilib 181.4 KiB 12.7 MiB/s 00:00 [####################################] 100%
archlinuxcn 1596.1 KiB 1232 KiB/s 00:01 [####################################] 100%
再次嘗試安裝graphviz：
[dechin-manjaro callgraph]# pacman -S graphviz
:: Some packages should be upgraded first...
正在解析依賴關係...
正在查找軟體包衝突...
軟體包 (2) archlinux-keyring-20210110-1 manjaro-system-20210217-1
下載大小： 0.95 MiB
全部安裝大小： 1.31 MiB
凈更新大小： 0.02 MiB
:: 進行安裝嗎？ [Y/n] Y
:: 正在獲取軟體包......
archlinux-keyring-20210110-1-any 950.2 KiB 4.96 MiB/s 00:00 [####################################] 100%
manjaro-system-20210217-1-any 21.4 KiB 0.00 B/s 00:00 [####################################] 100%
(2/2) 正在檢查密鑰環里的密鑰 [####################################] 100%
(2/2) 正在檢查軟體包完整性 [####################################] 100%
(2/2) 正在載入軟體包文件 [####################################] 100%
(2/2) 正在檢查文件衝突 [####################################] 100%
(2/2) 正在檢查可用存儲空間 [####################################] 100%
:: 正在處理軟體包的變化...
(1/2) 正在更新 archlinux-keyring [####################################] 100%
==> 正在從 archlinux.gpg 添加密匙...
gpg: 公鑰 CF66D153D884358F 在其簽名之後的 16 秒生成
==> 正在本地簽名密匙環中的可信密匙...
-> 正在本地簽名密匙 AB19265E5D7D20687D303246BA1DFB64FFF979E7...
-> 正在本地簽名密匙 DDB867B92AA789C165EEFA799B729B06A680C281...
-> 正在本地簽名密匙 0E8B644079F599DFC1DDC3973348882F6AC6A4C2...
-> 正在本地簽名密匙 D8AFDDA07A5B6EDFA7D8CCDAD6D055F927843F1C...
-> 正在本地簽名密匙 91FFE0700E80619CEB73235CA88E23E377514E00...
==> 正在導入擁有者信任值...
==> 正在密匙環中禁用已激活密匙...
-> 正在禁用密匙 4A8B17E20B88ACA61860009B5CED81B7C2E5C0D2...
-> 正在禁用密匙 684148BB25B49E986A4944C55184252D824B18E8...
-> 正在禁用密匙 5357F3B111688D88C1D88119FCF2CB179205AC90...
-> 正在禁用密匙 50F33E2E5B0C3D900424ABE89BDCF497A4BBCC7F...
-> 正在禁用密匙 39F880E50E49A4D11341E8F939E4F17F295AFBF4...
-> 正在禁用密匙 F5A361A3A13554B85E57DDDAAF7EF7873CFD4BB6...
-> 正在禁用密匙 40440DC037C05620984379A6761FAD69BA06C6A9...
-> 正在禁用密匙 FB871F0131FEA4FB5A9192B4C8880A6406361833...
-> 正在禁用密匙 487EACC08557AD082088DABA1EB2638FF56C0C53...
-> 正在禁用密匙 76B4192E902C0A52642C63C273B8ED52F1D357C1...
-> 正在禁用密匙 40776A5221EF5AD468A4906D42A1DB15EC133BAD...
-> 正在禁用密匙 0B20CA1931F5DA3A70D0F8D2EA6836E1AB441196...
-> 正在禁用密匙 07DFD3A0BC213FA12EDC217559B3122E2FA915EC...
-> 正在禁用密匙 34C5D94FE7E7913E86DC427E7FB1A3800C84C0A5...
-> 正在禁用密匙 B1F2C889CB2CCB2ADA36D963097D629E437520BD...
-> 正在禁用密匙 D4DE5ABDE2A7287644EAC7E36D1A9E70E19DAA50...
-> 正在禁用密匙 44D4A033AC140143927397D47EFD567D4C7EA887...
-> 正在禁用密匙 8F76BEEA0289F9E1D3E229C05F946DED983D4366...
-> 正在禁用密匙 27FFC4769E19F096D41D9265A04F9397CDFD6BB0...
-> 正在禁用密匙 4FCF887689C41B09506BE8D5F3E1D5C5D30DB0AD...
-> 正在禁用密匙 5A2257D19FF7E1E0E415968CE62F853100F0D0F0...
-> 正在禁用密匙 7FA647CD89891DEDC060287BB9113D1ED21E1A55...
-> 正在禁用密匙 5E7585ADFF106BFFBBA319DC654B877A0864983E...
-> 正在禁用密匙 E7210A59715F6940CF9A4E36A001876699AD6E84...
-> 正在禁用密匙 5559BC1A32B8F76B3FCCD9555FA5E5544F010D48...
-> 正在禁用密匙 BFA1ECFEF1524EE4099CDE971F0CD4921ECAA030...
-> 正在禁用密匙 4D913AECD81726D9A6C74F0ADA6426DD215B37AD...
-> 正在禁用密匙 8840BD07FC24CB7CE394A07CCF7037A4F27FB7DA...
-> 正在禁用密匙 BC1FBE4D2826A0B51E47ED62E2539214C6C11350...
-> 正在禁用密匙 9515D8A8EAB88E49BB65EDBCE6B456CAF15447D5...
-> 正在禁用密匙 779CD2942629B7FA04AB8F172E89012331361F01...
-> 正在禁用密匙 D921CABED130A5690EF1896E81AF739EC0711BF1...
-> 正在禁用密匙 5696C003B0854206450C8E5BE613C09CB4440678...
-> 正在禁用密匙 8CF934E339CAD8ABF342E822E711306E3C4F88BC...
-> 正在禁用密匙 1A60DC44245D06FEF90623D6EEEEE2EEEE2EEEEE...
-> 正在禁用密匙 81D7F8241DB38BC759C80FCE3A726C6170E80477...
-> 正在禁用密匙 63F395DE2D6398BBE458F281F2DBB4931985A992...
-> 正在禁用密匙 65EEFE022108E2B708CBFCF7F9E712E59AF5F22A...
-> 正在禁用密匙 66BD74A036D522F51DD70A3C7F2A16726521E06D...
==> 正在更新可信資料庫...
gpg: 下次信任度資料庫檢查將於 2021-03-06 進行
(2/2) 正在更新 manjaro-system [####################################] 100%
:: 正在運行事務後鉤子函數...
(1/1) Arming ConditionNeedsUpdate...
正在解析依賴關係...
正在查找軟體包衝突...
軟體包 (3) gts-0.7.6.121130-2 netpbm-10.73.33-1 graphviz-2.46.0-1
下載大小： 6.80 MiB
全部安裝大小： 23.32 MiB
:: 進行安裝嗎？ [Y/n] Y
:: 正在獲取軟體包......
graphviz-2.46.0-1-x86_64 6.8 MiB 7.03 MiB/s 00:01 [####################################] 100%
(3/3) 正在檢查密鑰環里的密鑰 [####################################] 100%
(3/3) 正在檢查軟體包完整性 [####################################] 100%
(3/3) 正在載入軟體包文件 [####################################] 100%
(3/3) 正在檢查文件衝突 [####################################] 100%
(3/3) 正在檢查可用存儲空間 [####################################] 100%
:: 正在處理軟體包的變化...
(1/3) 正在安裝 netpbm [####################################] 100%
(2/3) 正在安裝 gts [####################################] 100%
(3/3) 正在安裝 graphviz [####################################] 100%
graphviz 的可選依賴
mono: sharp bindings
guile: guile bindings
lua: lua bindings
ocaml: ocaml bindings
perl: perl bindings [已安裝]
python: python bindings [已安裝]
r: r bindings
tcl: tcl bindings [已安裝]
qt5-base: gvedit [已安裝]
gtk2: gtk output plugin [已安裝]
xterm: vimdot
:: 正在運行事務後鉤子函數...
(1/2) Arming ConditionNeedsUpdate...
(2/2) Warn about old perl modules
Finally還是給我安裝成功了，接下來再看看dot指令的執行情況：
[dechin-manjaro callgraph]# dot -v
dot - graphviz version 2.46.0 (0)
libdir = "/usr/lib/graphviz"
Activated plugin library: libgvplugin_dot_layout.so.6
Using layout: dot:dot_layout
Activated plugin library: libgvplugin_core.so.6
Using render: dot:core
Using device: dot:dot:core
The plugin configuration file:
/usr/lib/graphviz/config6
was successfully loaded.
render : cairo dot dot_json fig gd json json0 map mp pic pov ps svg tk visio vml vrml xdot xdot_json
layout : circo dot fdp neato nop nop1 nop2 osage patchwork sfdp twopi
textlayout : textlayout
device : bmp canon cmap cmapx cmapx_np dot dot_json eps fig gd gd2 gif gtk gv ico imap imap_np ismap jpe jpeg jpg json json0 mp pdf pic plain plain-ext png pov ps ps2 svg svgz tif tiff tk vdx vml vmlz vrml wbmp webp x11 xdot xdot1.2 xdot1.4 xdot_json xlib
loadimage : (lib) bmp eps gd gd2 gif ico jpe jpeg jpg png ps svg webp xbm
運行示例
這裡我們以上一篇部落格量子計算模擬器生成隨機數中的案例，來測試一下pycallgraph的功能。源程式碼可以參考源部落格地址，這裡我們直接展示下更改後的程式碼：
# random_number.py
from projectq import MainEngine
from projectq.ops import H, Measure
from pycallgraph import PyCallGraph
from pycallgraph.output import GraphvizOutput
def random_number_generator():
eng = MainEngine()
qubit = eng.allocate_qubit()
H | qubit
eng.flush()
Measure | qubit
random_number = int(qubit)
eng.flush(deallocate_qubits=True)
return random_number
if __name__ == '__main__':
graphviz = GraphvizOutput()
graphviz.output_file = 'random_number_generator.png'
with PyCallGraph(output=graphviz):
random_number = random_number_generator()
print('Random number generated by quantum simulator is:\
{}'.format(random_number))
其實pycallgraph的使用方法也非常的簡單，只需要導入PyCallGraph和GraphvizOutput兩個模組，然後把main函數中所有需要運行的正常流程的程式碼，放到with PyCallGraph(output=graphviz)裡面即可。接下來運行該文件：
[dechin@dechin-manjaro callgraph]$ python3 random_number.py
Random number generated by quantum simulator is: 0
除了列印輸出，我們會發現在當前目錄下生成了一個名為random_number_generator.png的圖形文件，具體內容打開如下圖所示：
總結概要
使用pycallgraph這個工具，可以幫助我們更好的入手去分析一個全新的軟體包。通過了解各個模組之間的調用關係，我們還可以比較直觀的梳理出相關的架構圖，帶著架構的思維去逐層的分析相應的軟體及其實現的方式。
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作者ID：DechinPhy
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