前言：

這是一篇介紹 Go 編譯器如何實(shí)現(xiàn)內(nèi)聯(lián)的文章，以及這種優(yōu)化將如何影響你的 Go 代碼。

什么是內(nèi)聯(lián)？

內(nèi)聯(lián)是將較小的函數(shù)合并到它們各自的調(diào)用者中的行為。其在不同的計(jì)算歷史時(shí)期的做法不一樣，如下：

• 早期：這種優(yōu)化通常是由手工完成的。
• 現(xiàn)在：內(nèi)聯(lián)是在編譯過(guò)程中自動(dòng)進(jìn)行的一類(lèi)基本優(yōu)化之一。

為什么內(nèi)聯(lián)很重要？

內(nèi)聯(lián)是很重要的，每一門(mén)語(yǔ)言都必然會(huì)有。

具體的原因如下：

• 它消除了函數(shù)調(diào)用本身的開(kāi)銷(xiāo)。
• 它允許編譯器更有效地應(yīng)用其他優(yōu)化策略。

核心來(lái)講，就是性能更好了。

函數(shù)調(diào)用的開(kāi)銷(xiāo)

基本知識(shí)

在任何語(yǔ)言中調(diào)用一個(gè)函數(shù)都是有代價(jià)的。將參數(shù)編入寄存器或堆棧（取決于ABI），并在返回時(shí)反轉(zhuǎn)這一過(guò)程，這些都是開(kāi)銷(xiāo)。

調(diào)用一個(gè)函數(shù)需要將程序計(jì)數(shù)器從指令流中的一個(gè)點(diǎn)跳到另一個(gè)點(diǎn)，這可能會(huì)導(dǎo)致流水線停滯。一旦進(jìn)入函數(shù)，通常需要一些前言來(lái)為函數(shù)的執(zhí)行準(zhǔn)備一個(gè)新的堆?？蚣?，在返回調(diào)用者之前，還需要一個(gè)類(lèi)似的尾聲來(lái)退掉這個(gè)框架。

Go 中的開(kāi)銷(xiāo)

在 Go 中，一個(gè)函數(shù)的調(diào)用需要額外的成本來(lái)支持動(dòng)態(tài)堆棧的增長(zhǎng)。在進(jìn)入時(shí)，goroutine 可用的堆棧空間的數(shù)量與函數(shù)所需的數(shù)量進(jìn)行比較。

如果可用的堆棧空間不足，序言就會(huì)跳轉(zhuǎn)到運(yùn)行時(shí)邏輯，通過(guò)將堆棧復(fù)制到一個(gè)新的、更大的位置來(lái)增加堆棧。

一旦這樣做了，運(yùn)行時(shí)就會(huì)跳回到原始函數(shù)的起點(diǎn)，再次進(jìn)行堆棧檢查，現(xiàn)在通過(guò)了，然后繼續(xù)調(diào)用。通過(guò)這種方式，goroutines可以從一個(gè)小的堆棧分配開(kāi)始，只有在需要時(shí)才會(huì)增加。

這種檢查很便宜，只需要幾條指令，而且由于goroutine的堆棧以幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，檢查很少失敗。因此，現(xiàn)代處理器中的分支預(yù)測(cè)單元可以通過(guò)假設(shè)堆棧檢查總是成功來(lái)隱藏堆棧檢查的成本。在處理器錯(cuò)誤預(yù)測(cè)堆棧檢查并不得不丟棄它在投機(jī)執(zhí)行時(shí)所做的工作的情況下，與運(yùn)行時(shí)增長(zhǎng)goroutine堆棧所需的工作成本相比，管道停滯的成本相對(duì)較小。

Go 里的優(yōu)化

雖然每個(gè)函數(shù)調(diào)用的通用組件和 Go 特定組件的開(kāi)銷(xiāo)被使用投機(jī)執(zhí)行技術(shù)的現(xiàn)代處理器很好地優(yōu)化了，但這些開(kāi)銷(xiāo)不能完全消除，因此每個(gè)函數(shù)調(diào)用都帶有性能成本，超過(guò)了執(zhí)行有用工作的時(shí)間。由于函數(shù)調(diào)用的開(kāi)銷(xiāo)是固定的，較小的函數(shù)相對(duì)于較大的函數(shù)要付出更大的代價(jià)，因?yàn)樗鼈兠看握{(diào)用的有用工作往往較少。

因此，消除這些開(kāi)銷(xiāo)的解決方案必須是消除函數(shù)調(diào)用本身，Go 編譯器在某些條件下通過(guò)用函數(shù)的內(nèi)容替換對(duì)函數(shù)的調(diào)用來(lái)做到這一點(diǎn)。這被稱(chēng)為內(nèi)聯(lián)，因?yàn)樗购瘮?shù)的主體與它的調(diào)用者保持一致。

改善優(yōu)化的機(jī)會(huì)

Cliff Click 博士將內(nèi)聯(lián)描述為現(xiàn)代編譯器進(jìn)行的優(yōu)化，因?yàn)樗浅Ａ總鞑ズ退来a消除等優(yōu)化的基礎(chǔ)。

實(shí)際上，內(nèi)聯(lián)允許編譯器看得更遠(yuǎn)，允許它在特定函數(shù)被調(diào)用的情況下，觀察到可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化或完全消除的邏輯。

由于內(nèi)聯(lián)可以遞歸應(yīng)用，優(yōu)化決策不僅可以在每個(gè)單獨(dú)的函數(shù)的上下文中做出，還可以應(yīng)用于調(diào)用路徑中的函數(shù)鏈。

進(jìn)行內(nèi)聯(lián)優(yōu)化

不允許內(nèi)聯(lián)

內(nèi)聯(lián)的效果可以通過(guò)這個(gè)小例子來(lái)證明：

package main
import "testing"
//go:noinline
func max(a, b int) int {
    if a > b {
        return a
    }
    return b
}
var Result int
func BenchmarkMax(b *testing.B) {
    var r int
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        r = max(-1, i)
    }
    Result = r
}

運(yùn)行這個(gè)基準(zhǔn)可以得到以下結(jié)果：

% go test -bench=. 
BenchmarkMax-4   530687617         2.24 ns/op

從執(zhí)行結(jié)果來(lái)看，max(-1, i)的成本大約是 2.24ns，感覺(jué)性能不錯(cuò)。

允許內(nèi)聯(lián)

現(xiàn)在讓我們?nèi)サ?nbsp;//go:noinline pragma 的語(yǔ)句，再看看不允許內(nèi)聯(lián)的情況下，性能是否會(huì)改變。

如下結(jié)果：

% go test -bench=. 
BenchmarkMax-4   1000000000         0.514 ns/op

兩個(gè)結(jié)果對(duì)比一看，2.24ns 和 0.51ns。差距至少一倍以上，根據(jù) benchstat 的建議，內(nèi)聯(lián)情況下，性能提高了 78%。

如下結(jié)果：

% benchstat {old,new}.txt
name   old time/op  new time/op  delta
Max-4  2.21ns ± 1%  0.49ns ± 6%  -77.96%  (p=0.000 n=18+19)

這些改進(jìn)從何而來(lái)？

首先，取消函數(shù)調(diào)用和相關(guān)的前導(dǎo)動(dòng)作是主要的改進(jìn)貢獻(xiàn)者。其將 max 函數(shù)的內(nèi)容拉到它的調(diào)用者中，減少了處理器執(zhí)行的指令數(shù)量，并消除了幾個(gè)分支。

現(xiàn)在 max 函數(shù)的內(nèi)容對(duì)編譯器來(lái)說(shuō)是可見(jiàn)的，當(dāng)它優(yōu)化 BenchmarkMax 時(shí)，它可以做一些額外的改進(jìn)。

考慮到一旦 max 被內(nèi)聯(lián)，BenchmarkMax 的主體對(duì)編譯器而言就會(huì)有所改變，與用戶端看到的并不一樣。

如下代碼：

func BenchmarkMax(b *testing.B) {
    var r int
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        if -1 > i {
            r = -1
        } else {
            r = i
        }
    }
    Result = r
}

再次運(yùn)行基準(zhǔn)測(cè)試，我們看到我們手動(dòng)內(nèi)聯(lián)的版本與編譯器內(nèi)聯(lián)的版本表現(xiàn)一樣好。

如下結(jié)果：

% benchstat {old,new}.txt
name   old time/op  new time/op  delta
Max-4  2.21ns ± 1%  0.48ns ± 3%  -78.14%  (p=0.000 n=18+18)

現(xiàn)在，編譯器可以獲得 max 內(nèi)聯(lián)到 BenchmarkMax 的結(jié)果，它可以應(yīng)用以前不可能的優(yōu)化方法。

例如：編譯器注意到 i 被初始化為 0，并且只被遞增，所以任何與 i 的比較都可以假定 i 永遠(yuǎn)不會(huì)是負(fù)數(shù)。因此，條件 -1 > i 將永遠(yuǎn)不會(huì)為真。

在證明了 -1 > i 永遠(yuǎn)不會(huì)為真之后，編譯器可以將代碼簡(jiǎn)化為：

func BenchmarkMax(b *testing.B) {
    var r int
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        if false {  // 注意已為 false
            r = -1
        } else {
            r = i
        }
    }
    Result = r
}

并且由于該分支現(xiàn)在是一個(gè)常數(shù)，編譯器可以消除無(wú)法到達(dá)的路徑，只留下如下代碼：

func BenchmarkMax(b *testing.B) {
    var r int
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        r = i
    }
    Result = r
}

通過(guò)內(nèi)聯(lián)和它所釋放的優(yōu)化，編譯器已經(jīng)將表達(dá)式 r = max(-1, i) 簡(jiǎn)化為 r = i。

這個(gè)例子非常不錯(cuò)，很好的體現(xiàn)了內(nèi)聯(lián)的優(yōu)化過(guò)程和性能提升的緣由。

內(nèi)聯(lián)的限制

在這篇文章中，討論了所謂的葉子內(nèi)聯(lián)：將調(diào)用棧底部的一個(gè)函數(shù)內(nèi)聯(lián)到其直接調(diào)用者中的行為。

內(nèi)聯(lián)是一個(gè)遞歸的過(guò)程，一旦一個(gè)函數(shù)被內(nèi)聯(lián)到它的調(diào)用者中，編譯器就可能將產(chǎn)生的代碼內(nèi)聯(lián)到它的調(diào)用者中，依此類(lèi)推。

例如如下代碼：

func BenchmarkMaxMaxMax(b *testing.B) {
    var r int
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        r = max(max(-1, i), max(0, i))
    }
    Result = r
}

該運(yùn)行速度將會(huì)和前面的例子一樣快，因?yàn)榫幾g器能夠反復(fù)應(yīng)用上面的優(yōu)化，將代碼減少到相同的 r = i 表達(dá)式。

總結(jié)

這篇文章針對(duì)內(nèi)聯(lián)進(jìn)行了基本的概念介紹和分析，并且通過(guò) Go 的例子進(jìn)行了一步步的剖析，讓大家對(duì)真實(shí)案例有了一個(gè)更貼切的理解。

Go 編譯器的優(yōu)化總是無(wú)處不在的。

到此這篇關(guān)于Go 內(nèi)聯(lián)優(yōu)化讓程序員愛(ài)不釋手的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Go 內(nèi)聯(lián)優(yōu)化內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

最新評(píng)論