讓Go反射變快的方法實例探究

更新時間：2024年01月18日 09:50:51 作者：小白debug

反射允許你在運行時獲得有關(guān) Go 類型的信息,如果你曾經(jīng)愚蠢地嘗試編寫 json.Unmarshal 之類的新版本,本文將探討的就是如何使用反射來填充結(jié)構(gòu)體值

引言

最近讀到一篇關(guān)于 Go 反射的文章，作者通過反射給結(jié)構(gòu)體填充字段值的案例，充分利用 Go 的各種內(nèi)在機理，逐步探討讓代碼運行得更快的姿勢。

文章（原文地址：https://philpearl.github.io/post/aintnecessarilyslow/ ）非常有學(xué)習(xí)價值，故翻譯整理了下來。

不要使用反射，除非你真的需要。但是當你不使用反射時，不要認為這是因為反射很慢，它也可以很快。

反射允許你在運行時獲得有關(guān) Go 類型的信息。如果你曾經(jīng)愚蠢地嘗試編寫 json.Unmarshal 之類的新版本，本文將探討的就是如何使用反射來填充結(jié)構(gòu)體值。

切入點案例

我們以一個簡單的案例為切入點，定義一個結(jié)構(gòu)體 SimpleStruct，它包括兩個 int 類型字段 A 和 B。

type SimpleStruct struct {
    A int
    B int
}

假如我們接收到了 JSON 數(shù)據(jù) {"B": 42}，想要對其進行解析并且將字段 B 設(shè)置為 42。

在下文，我們將編寫一些函數(shù)來實現(xiàn)這一點，它們都會將 B 設(shè)置為 42。

如果我們的代碼只適用于 SimpleStruct，這完全是不值一提的。

func populateStruct(in *SimpleStruct) {
    in.B = 42
}

反射基本版

但是，如果我們是要做一個 JSON 解析器，這意味著我們并不能提前知道結(jié)構(gòu)類型。我們的解析器代碼需要接收任何類型的數(shù)據(jù)。

在 Go 中，這通常意味著需要采用 interface{} （空接口）參數(shù)。然后我們可以使用 reflect 包檢查通過空接口參數(shù)傳入的值，檢查它是否是指向結(jié)構(gòu)體的指針，找到字段 B 并用我們的值填充它。

代碼將如下所示。

func populateStructReflect(in interface{}) error {
 val := reflect.ValueOf(in)
 if val.Type().Kind() != reflect.Ptr {
  return fmt.Errorf("you must pass in a pointer")
 }
 elmv := val.Elem()
 if elmv.Type().Kind() != reflect.Struct {
  return fmt.Errorf("you must pass in a pointer to a struct")
 }

 fval := elmv.FieldByName("B")
 fval.SetInt(42)

 return nil
}

讓我們通過基準測試看看它有多快。

func BenchmarkPopulateReflect(b *testing.B) {
 b.ReportAllocs()
 var m SimpleStruct
 for i := 0; i &lt; b.N; i++ {
  if err := populateStructReflect(&amp;m); err != nil {
   b.Fatal(err)
  }
  if m.B != 42 {
   b.Fatalf("unexpected value %d for B", m.B)
  }
 }
}

結(jié)果如下。

BenchmarkPopulateReflect-16 15941916 68.3 ns/op 8 B/op 1 allocs/op

這是好還是壞？好吧，內(nèi)存分配可從來不是好事。你可能想知道為什么需要在堆上分配內(nèi)存來將結(jié)構(gòu)體字段設(shè)置為 42（可以看這個 issue：https://github.com/golang/go/issues/2320）。但總體而言，68ns 的時間并不長。在通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)出任何類型的請求時間中，你可以容納很多 68ns。

優(yōu)化一：加入緩存策略

我們能做得更好嗎？好吧，通常我們運行的程序不會只做一件事然后停止。他們通常一遍又一遍地做著非常相似的事情。因此，我們可以設(shè)置一些東西以使重復(fù)的事情速度變快嗎？

如果仔細查看我們正在執(zhí)行的反射檢查，我們會發(fā)現(xiàn)它們都取決于傳入值的類型。如果我們將類型結(jié)果緩存起來，那么對于每種類型而言，我們只會進行一次檢查。

我們再來考慮內(nèi)存分配的問題。之前我們調(diào)用 Value.FieldByName 方法，實際是 Value.FieldByName 調(diào)用 Type.FieldByName，其調(diào)用 structType.FieldByName，最后調(diào)用 structType.Field 來引起內(nèi)存分配的。我們可以在類型上調(diào)用 FieldByName 并緩存一些東西來獲取 B 字段的值嗎？實際上，如果我們緩存 Field.Index，就可以使用它來獲取字段值而無需分配。

新代碼版本如下

var cache = make(map[reflect.Type][]int)
func populateStructReflectCache(in interface{}) error {
 typ := reflect.TypeOf(in)
 index, ok := cache[typ]
 if !ok {
  if typ.Kind() != reflect.Ptr {
   return fmt.Errorf("you must pass in a pointer")
  }
  if typ.Elem().Kind() != reflect.Struct {
   return fmt.Errorf("you must pass in a pointer to a struct")
  }
  f, ok := typ.Elem().FieldByName("B")
  if !ok {
   return fmt.Errorf("struct does not have field B")
  }
  index = f.Index
  cache[typ] = index
 }
 val := reflect.ValueOf(in)
 elmv := val.Elem()
 fval := elmv.FieldByIndex(index)
 fval.SetInt(42)
 return nil
}

因為沒有任何內(nèi)存分配，新的基準測試變得更快。

BenchmarkPopulateReflectCache-16 35881779 30.9 ns/op 0 B/op 0 allocs/op

優(yōu)化二：利用字段偏移量

我們能做得更好嗎？好吧，如果我們知道結(jié)構(gòu)體字段 B 的偏移量并且知道它是 int 類型，就可以將其直接寫入內(nèi)存。我們可以從接口中恢復(fù)指向結(jié)構(gòu)體的指針，因為空接口實際上是具有兩個指針的結(jié)構(gòu)的語法糖：第一個指向有關(guān)類型的信息，第二個指向值。

type eface struct {
 _type *_type
 data  unsafe.Pointer
}

我們可以使用結(jié)構(gòu)體中字段偏移量來直接尋址該值的字段 B。

新代碼如下。

var unsafeCache = make(map[reflect.Type]uintptr)
type intface struct {
 typ   unsafe.Pointer
 value unsafe.Pointer
}
func populateStructUnsafe(in interface{}) error {
 typ := reflect.TypeOf(in)
 offset, ok := unsafeCache[typ]
 if !ok {
  if typ.Kind() != reflect.Ptr {
   return fmt.Errorf("you must pass in a pointer")
  }
  if typ.Elem().Kind() != reflect.Struct {
   return fmt.Errorf("you must pass in a pointer to a struct")
  }
  f, ok := typ.Elem().FieldByName("B")
  if !ok {
   return fmt.Errorf("struct does not have field B")
  }
  if f.Type.Kind() != reflect.Int {
   return fmt.Errorf("field B should be an int")
  }
  offset = f.Offset
  unsafeCache[typ] = offset
 }
 structPtr := (*intface)(unsafe.Pointer(&in)).value
 *(*int)(unsafe.Pointer(uintptr(structPtr) + offset)) = 42
 return nil
}

新的基準測試表明這將更快。

BenchmarkPopulateUnsafe-16 62726018 19.5 ns/op 0 B/op 0 allocs/op

優(yōu)化三：更改緩存 key 類型

還能讓它走得更快嗎？如果我們對 CPU 進行采樣，將會看到大部分時間都用于訪問 map，它還會顯示 map 訪問在調(diào)用 runtime.interhash 和 runtime.interequal。這些是用于 hash 接口并檢查它們是否相等的函數(shù)。也許使用更簡單的 key 會加快速度？我們可以使用來自接口的類型信息的地址，而不是 reflect.Type 本身。

var unsafeCache2 = make(map[uintptr]uintptr)

func populateStructUnsafe2(in interface{}) error {
 inf := (*intface)(unsafe.Pointer(&amp;in))

 offset, ok := unsafeCache2[uintptr(inf.typ)]
 if !ok {
  typ := reflect.TypeOf(in)
  if typ.Kind() != reflect.Ptr {
   return fmt.Errorf("you must pass in a pointer")
  }
  if typ.Elem().Kind() != reflect.Struct {
   return fmt.Errorf("you must pass in a pointer to a struct")
  }
  f, ok := typ.Elem().FieldByName("B")
  if !ok {
   return fmt.Errorf("struct does not have field B")
  }
  if f.Type.Kind() != reflect.Int {
   return fmt.Errorf("field B should be an int")
  }
  offset = f.Offset
  unsafeCache2[uintptr(inf.typ)] = offset
 }

 *(*int)(unsafe.Pointer(uintptr(inf.value) + offset)) = 42

 return nil
}

這是新版本的基準測試結(jié)果，它又快了很多。

BenchmarkPopulateUnsafe2-16 230836136 5.16 ns/op 0 B/op 0 allocs/op

優(yōu)化四：引入描述符

還能更快嗎？通常如果我們要將數(shù)據(jù) unmarshaling 到結(jié)構(gòu)體中，它總是相同的結(jié)構(gòu)。因此，我們可以將功能一分為二，其中一個函數(shù)用于檢查結(jié)構(gòu)是否符合要求并返回一個描述符，另外一個函數(shù)則可以在之后的填充調(diào)用中使用該描述符。

以下是我們的新代碼版本。調(diào)用者應(yīng)該在初始化時調(diào)用describeType函數(shù)以獲得一個typeDescriptor，之后調(diào)用populateStructUnsafe3函數(shù)時會用到它。在這個非常簡單的例子中，typeDescriptor只是結(jié)構(gòu)體中B字段的偏移量。

type typeDescriptor uintptr

func describeType(in interface{}) (typeDescriptor, error) {
 typ := reflect.TypeOf(in)
 if typ.Kind() != reflect.Ptr {
  return 0, fmt.Errorf("you must pass in a pointer")
 }
 if typ.Elem().Kind() != reflect.Struct {
  return 0, fmt.Errorf("you must pass in a pointer to a struct")
 }
 f, ok := typ.Elem().FieldByName("B")
 if !ok {
  return 0, fmt.Errorf("struct does not have field B")
 }
 if f.Type.Kind() != reflect.Int {
  return 0, fmt.Errorf("field B should be an int")
 }
 return typeDescriptor(f.Offset), nil
}

func populateStructUnsafe3(in interface{}, ti typeDescriptor) error {
 structPtr := (*intface)(unsafe.Pointer(&amp;in)).value
 *(*int)(unsafe.Pointer(uintptr(structPtr) + uintptr(ti))) = 42
 return nil
}

以下是如何使用describeType調(diào)用的新基準測試。

func BenchmarkPopulateUnsafe3(b *testing.B) {
 b.ReportAllocs()
 var m SimpleStruct

 descriptor, err := describeType((*SimpleStruct)(nil))
 if err != nil {
  b.Fatal(err)
 }

 for i := 0; i &lt; b.N; i++ {
  if err := populateStructUnsafe3(&amp;m, descriptor); err != nil {
   b.Fatal(err)
  }
  if m.B != 42 {
   b.Fatalf("unexpected value %d for B", m.B)
  }
 }
}

現(xiàn)在基準測試結(jié)果變得相當快。