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Go 性能分析之案例一
阅读量：468 次
发布时间：2019-03-06

本文共 9100 字，大约阅读时间需要 30 分钟。

思考

相信大家在实际的项目开发中会遇到这么一个事，有的程序员写的代码不仅bug少，而且性能高；而有的程序员写的代码能否流畅的跑起来，都是一个很大问题。

而我们今天要讨论的就是一个关于性能优化的案例分析。

案例分析

我们先来构造一些基础数据（长度为10亿的切片，并赋上值）：

var testData = GenerateData()// generate billion slice datafunc GenerateData() []int {    data := make([]int, 1000000000)    for key, _ := range data {        data[key] = key % 128    }    return data}// get lengthfunc GetDataLen() int {    return len(testData)}

 

案例一

// case onefunc CaseSumOne(result *int) {    data := GenerateData()    for i := 0; i < GetDataLen(); i++ {        *result += data[i]    }}// case twofunc CaseSumTwo(result *int) {    data := GenerateData()    dataLen := GetDataLen()    for i := 0; i < dataLen; i++ {        *result += data[i]    }}

 

执行结果

$ go test -bench=.goos: windowsgoarch: amd64BenchmarkCaseSumOne-8                  1        7439749000 ns/opBenchmarkCaseSumTwo-8                  1        2529266700 ns/opPASSok      _/C_/go-code/perform/case-one   14.059s

 

问题分析

  • CaseSumTwo执行效率是CaseSumOne的2.94倍，快了近三倍，这是为什么呢？
  • 我想这个其实很容易猜到，这里有一个连续的函数调用“GetDataLen()”,

我们来看下两个函数的汇编，做个简单的对比：

函数CaseSumOne

"".CaseSumOne STEXT size=83 args=0x4 locals=0xc        0x0000 00000 (point.go:22)      TEXT    "".CaseSumOne(SB), $12-4        ...        // point.go:24 -> for i := 0; i < GetDataLen(); i++         0x0021 00033 (point.go:24)      PCDATA  $2, $2        0x0021 00033 (point.go:24)      PCDATA  $0, $1        0x0021 00033 (point.go:24)      MOVL    "".result+16(SP), DX         0x0025 00037 (point.go:24)      XORL    BX, BX        0x0027 00039 (point.go:24)      JMP     47        0x0029 00041 (point.go:25)      MOVL    (CX)(BX*4), BP    // CX循环计数器        0x002c 00044 (point.go:25)      ADDL    BP, (DX)        0x002e 00046 (point.go:24)      INCL    BX // i++        0x002f 00047 (point.go:24)      MOVL    "".testData+4(SB), BP // 栈指针寄存器        0x0035 00053 (point.go:24)      CMPL    BX, BP        0x0037 00055 (point.go:24)      JGE     65        ...        0x0045 00069 (point.go:25)      CALL    runtime.panicindex(SB)        0x004c 00076 (point.go:22)      CALL    runtime.morestack_noctxt(SB)        ...

 

函数CaseSumTwo

"".CaseSumTwo STEXT size=83 args=0x4 locals=0xc        0x0000 00000 (point.go:30)      TEXT    "".CaseSumTwo(SB), $12-4        ...        // point.go:32 -> dataLen := GetDataLen()        // point.go:33 -> for i := 0; i < dataLen; i++ {        0x0021 00033 (point.go:32)      MOVL    "".testData+4(SB), DX        0x0027 00039 (point.go:33)      PCDATA  $2, $2        0x0027 00039 (point.go:33)      PCDATA  $0, $1        0x0027 00039 (point.go:33)      MOVL    "".result+16(SP), BX        0x002b 00043 (point.go:33)      XORL    BP, BP        0x002d 00045 (point.go:33)      JMP     53        0x002f 00047 (point.go:34)      MOVL    (AX)(BP*4), SI        0x0032 00050 (point.go:34)      ADDL    SI, (BX)        0x0034 00052 (point.go:33)      INCL    BP        0x0035 00053 (point.go:33)      CMPL    BP, DX        0x0037 00055 (point.go:33)      JGE     65        ...        0x0045 00069 (point.go:34)      CALL    runtime.panicindex(SB)        0x004c 00076 (point.go:30)      CALL    runtime.morestack_noctxt(SB)        ...

 

比较结论

不难发现主要的区别是在CaseSumOne中多了这么一行：

0x002f 00047 (point.go:24) MOVL "".testData+4(SB), BP

其实虽然只有一行，但是对于函数“GetDataLen”里需要调用的指令对CPU的消耗：

"".GetDataLen STEXT size=36 args=0x4 locals=0x0        0x0000 00000 (point.go:17)      TEXT    "".GetDataLen(SB), $0-4 //         0x0000 00000 (point.go:17)      MOVL    TLS, CX        0x0007 00007 (point.go:17)      MOVL    (CX)(TLS*2), CX        0x000d 00013 (point.go:17)      CMPL    SP, 8(CX)        0x0010 00016 (point.go:17)      JLS     29        0x0012 00018 (point.go:17)      FUNCDATA        $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)        0x0012 00018 (point.go:17)      FUNCDATA        $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)        0x0012 00018 (point.go:17)      FUNCDATA        $3, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)        0x0012 00018 (point.go:18)      PCDATA  $2, $0        0x0012 00018 (point.go:18)      PCDATA  $0, $0        0x0012 00018 (point.go:18)      MOVL    "".testData+4(SB), AX // 寄存器寻址 AX = lenVAL        0x0018 00024 (point.go:18)      MOVL    AX, "".~r0+4(SP)    // SP = AX = lenVal        0x001c 00028 (point.go:18)      RET        0x001d 00029 (point.go:18)      NOP        0x001d 00029 (point.go:17)      PCDATA  $0, $-1        0x001d 00029 (point.go:17)      PCDATA  $2, $-1        0x001d 00029 (point.go:17)      CALL    runtime.morestack_noctxt(SB)    // 压栈        ...

 

虽然，看似小小一行代码的区别，但是在指令级的角度上，进行了创建栈空间、压栈、寻址、赋值等一系列操作，况且这里进行了循环调用。

案例二

// case twofunc CaseSumTwo(result *int) {    data := GenerateData()    dataLen := GetDataLen()    for i := 0; i < dataLen; i++ {        *result += data[i]    }}// case threefunc CaseSumThree(result *int) {    data := GenerateData()    dataLen := GetDataLen()    tmp := *result    for i:= 0; i < dataLen; i++ {        tmp += data[i]    }    *result = tmp}

 

执行结果

$ go test -bench=.goos: windowsgoarch: amd64BenchmarkCaseSumTwo-8                  1        2529266700 ns/opBenchmarkCaseSumThree-8                1        1657554600 ns/opPASSok      _/C_/go-code/perform/case-one   8.2773

 

问题分析

  • 虽然对连续函数调用进行了优化，但是CaseSumThree对执行效率还是高于CaseSumTwo1.52倍，还有哪些情况会影响执行性能呢？

我们再来对比下“CaseSumTwo”和“CaseSumThree”对汇编源码：

函数CaseSumTwo

"".CaseSumTwo STEXT size=83 args=0x4 locals=0xc        0x0000 00000 (point.go:30)      TEXT    "".CaseSumTwo(SB), $12-4        ...        // point.go:31 -> data := GenerateData()        // point.go:34 -> *result += data[i]         0x001a 00026 (point.go:31)      MOVL    (SP), AX        0x0027 00039 (point.go:33)      MOVL    "".result+16(SP), BX        0x002f 00047 (point.go:34)      MOVL    (AX)(BP*4), SI // 栈寄存器移动四个字节， -> SI源变址寄存器        0x0032 00050 (point.go:34)      ADDL    SI, (BX)  // SI        0x0034 00052 (point.go:33)      INCL    BP        0x0035 00053 (point.go:33)      CMPL    BP, DX        0x0037 00055 (point.go:33)      JGE     65        0x0039 00057 (point.go:34)      TESTB   AX, (BX)        0x003b 00059 (point.go:34)      CMPL    BP, CX        0x003d 00061 (point.go:34)      JCS     47        0x003f 00063 (point.go:34)      JMP     69        0x0041 00065 (
    
     )    PCDATA  $2, $-2        0x0041 00065 (
     
      )    PCDATA  $0, $-2        0x0041 00065 (
      
       )    ADDL    $12, SP        0x0044 00068 (
       
        )    RET        0x0045 00069 (point.go:34)      PCDATA  $2, $0        0x0045 00069 (point.go:34)      PCDATA  $0, $1        0x0045 00069 (point.go:34)      CALL    runtime.panicindex(SB)        0x004a 00074 (point.go:34)      UNDEF        0x004c 00076 (point.go:34)      NOP

 

函数CaseSumThree

"".CaseSumThree STEXT size=97 args=0x4 locals=0x10        0x0000 00000 (point.go:39)      TEXT    "".CaseSumThree(SB), $16-4        ...        // point.go:40 -> data := GenerateData()        // point.go:42 -> tmp := *result        // point.go:44 -> tmp += data[i]        // point.go:46 -> *result = tmp        0x001a 00026 (point.go:40)      MOVL    (SP), AX        0x0021 00033 (point.go:42)      PCDATA  $2, $2        0x0021 00033 (point.go:42)      PCDATA  $0, $1        0x0021 00033 (point.go:42)      MOVL    "".result+20(SP), DX        0x0025 00037 (point.go:42)      MOVL    (DX), BX // ->BX数据指针寄存器        0x0027 00039 (point.go:41)      MOVL    "".testData+4(SB), BP        0x002d 00045 (point.go:41)      XORL    SI, SI        0x002f 00047 (point.go:43)      JMP     67        0x0031 00049 (point.go:43)      LEAL    1(SI), DI        0x0034 00052 (point.go:43)      MOVL    DI, "".i+12(SP) // 移动DI到栈指针12字节的位置        0x0038 00056 (point.go:44)      MOVL    (AX)(SI*4), DI // 源变址寄存器移动四个字节（32位），-> 目的变址寄存器        0x003b 00059 (point.go:44)      ADDL    DI, BX // DI+BX        0x003d 00061 (point.go:43)      MOVL    "".i+12(SP), DI         0x0041 00065 (point.go:43)      MOVL    DI, SI        0x0043 00067 (point.go:43)      CMPL    SI, BP        0x0045 00069 (point.go:43)      JGE     77        0x0047 00071 (point.go:44)      CMPL    SI, CX        0x0049 00073 (point.go:44)      JCS     49        0x004b 00075 (point.go:44)      JMP     83        0x004d 00077 (point.go:46)      PCDATA  $2, $0        0x004d 00077 (point.go:46)      MOVL    BX, (DX)        0x004f 00079 (point.go:47)      ADDL    $16, SP        0x0052 00082 (point.go:47)      RET        0x0053 00083 (point.go:44)      CALL    runtime.panicindex(SB)        ...

 

比较结论

CaseSumTwo函数，在进行ADDL之前，因为“*result”为指针变量，所以不能直接与data[i]运算。因此需要创建一个栈空间，并指向data的地址并，然后通过移动栈指针后得到下一个值的地址，并赋与SI。

CaseSumThree函数，在进行ADDL执行前，创建了一个值变量，那么在执行ADDL的时候，只需要移动SI获取下一个data的值就可以直接进行算数运算，中间少了地址的引用的栈的操作。

堆和栈

其实说白了，就是CaseSumTwo中 *result内存是分配在堆上的，而 CaseSumThree中 tmp是分配在栈上的，而堆和栈堆性能区别这里做一个简单堆比较：

  1. 有寄存器直接对栈进行访问（esp，ebp），而对堆访问，只能是间接寻址。 也就是说，可以直接从地址取数据放至目标地址；使用堆时，第一步将分配的地址放到寄存器，然后取出这个地址的值，然后放到目标地址。

  2. 栈中数据cpu命中率更高，满足局部性原理。

  3. 栈是编译时系统自动分配空间，而堆是动态分配（运行时分配空间），所以栈的速度快。

  4. 栈是先进后出的队列结构，比堆结构相对简单，分配速度大于堆。

 

总结

本章主要讲了三个点：

  1. 消除循环的低效率
  2. 减少过程调用
  3. 消除不必要的内存引用

引用《深入计算机系统原理》一书中对性能优化所提到的三个方面：

  1. 高级设计，为遇到的问题选择适当的算法和数据结构。要特别警觉，避免使用那些会渐进地产生糟糕性能的算法或编码技术。
  2. 基本编码原则，从指令的角度考虑，开发中应如何编码，才能减少执行的指令。
  3. 低级优化，针对现代处理器，如何让cpu的流水线尽量饱合。

所以，一个优秀的程序员在写每一行代码，定义每一个变量，也许背后思考的就会更多。

 

原文地址

转载地址：http://xpybz.baihongyu.com/

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