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Go中對棧中函數(shù)進行內(nèi)聯(lián)

上一篇文章中我論述了葉子內(nèi)聯(lián)leaf inlining是怎樣讓 Go 編譯器減少函數(shù)調(diào)用的開銷的，以及延伸出了跨函數(shù)邊界的優(yōu)化的機會。本文中，我要論述內(nèi)聯(lián)的限制以及葉子內(nèi)聯(lián)與棧中內(nèi)聯(lián)mid-stack inlining的對比。

成都創(chuàng)新互聯(lián)服務(wù)項目包括江達網(wǎng)站建設(shè)、江達網(wǎng)站制作、江達網(wǎng)頁制作以及江達網(wǎng)絡(luò)營銷策劃等。多年來，我們專注于互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，利用自身積累的技術(shù)優(yōu)勢、行業(yè)經(jīng)驗、深度合作伙伴關(guān)系等，向廣大中小型企業(yè)、政府機構(gòu)等提供互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的解決方案，江達網(wǎng)站推廣取得了明顯的社會效益與經(jīng)濟效益。目前，我們服務(wù)的客戶以成都為中心已經(jīng)輻射到江達省份的部分城市，未來相信會繼續(xù)擴大服務(wù)區(qū)域并繼續(xù)獲得客戶的支持與信任！

內(nèi)聯(lián)的限制

把函數(shù)內(nèi)聯(lián)到它的調(diào)用處消除了調(diào)用的開銷，為編譯器進行其他的優(yōu)化提供了更好的機會，那么問題來了，既然內(nèi)聯(lián)這么好，內(nèi)聯(lián)得越多開銷就越少，為什么不盡可能多地內(nèi)聯(lián)呢？

內(nèi)聯(lián)可能會以增加程序大小換來更快的執(zhí)行時間。限制內(nèi)聯(lián)的最主要原因是，創(chuàng)建許多函數(shù)的內(nèi)聯(lián)副本會增加編譯時間，并導致生成更大的二進制文件的邊際效應(yīng)。即使把內(nèi)聯(lián)帶來的進一步的優(yōu)化機會考慮在內(nèi)，太激進的內(nèi)聯(lián)也可能會增加生成的二進制文件的大小和編譯時間。

內(nèi)聯(lián)收益最大的是小函數(shù)，相對于調(diào)用它們的開銷來說，這些函數(shù)做很少的工作。隨著函數(shù)大小的增長，函數(shù)內(nèi)部做的工作與函數(shù)調(diào)用的開銷相比省下的時間越來越少。函數(shù)越大通常越復(fù)雜，因此優(yōu)化其內(nèi)聯(lián)形式相對于原地優(yōu)化的好處會減少。

內(nèi)聯(lián)預(yù)算

在編譯過程中，每個函數(shù)的內(nèi)聯(lián)能力是用內(nèi)聯(lián)預(yù)算計算的 1。開銷的計算過程可以巧妙地內(nèi)化，像一元和二元等簡單操作，在抽象語法數(shù)Abstract Syntax Tree（AST）中通常是每個節(jié)點一個單位，更復(fù)雜的操作如 make 可能單位更多?？紤]下面的例子：

 
 
 
    
  
  
  
  1. package main
    2. 
  
  
  
  2. 
  
  
  
  3. func small() string {
    4. 
  
  
  
  4.  s := "hello, " + "world!"
    5. 
  
  
  
  5.  return s
    6. 
  
  
  
  6. }
    7. 
  
  
  
  7. 
  
  
  
  8. func large() string {
    9. 
  
  
  
  9.  s := "a"
    10. 
  
  
  
  10.  s += "b"
    11. 
  
  
  
  11.  s += "c"
    12. 
  
  
  
  12.  s += "d"
    13. 
  
  
  
  13.  s += "e"
    14. 
  
  
  
  14.  s += "f"
    15. 
  
  
  
  15.  s += "g"
    16. 
  
  
  
  16.  s += "h"
    17. 
  
  
  
  17.  s += "i"
    18. 
  
  
  
  18.  s += "j"
    19. 
  
  
  
  19.  s += "k"
    20. 
  
  
  
  20.  s += "l"
    21. 
  
  
  
  21.  s += "m"
    22. 
  
  
  
  22.  s += "n"
    23. 
  
  
  
  23.  s += "o"
    24. 
  
  
  
  24.  s += "p"
    25. 
  
  
  
  25.  s += "q"
    26. 
  
  
  
  26.  s += "r"
    27. 
  
  
  
  27.  s += "s"
    28. 
  
  
  
  28.  s += "t"
    29. 
  
  
  
  29.  s += "u"
    30. 
  
  
  
  30.  s += "v"
    31. 
  
  
  
  31.  s += "w"
    32. 
  
  
  
  32.  s += "x"
    33. 
  
  
  
  33.  s += "y"
    34. 
  
  
  
  34.  s += "z"
    35. 
  
  
  
  35.  return s
    36. 
  
  
  
  36. }
    37. 
  
  
  
  37. 
  
  
  
  38. func main() {
    39. 
  
  
  
  39.  small()
    40. 
  
  
  
  40.  large()
    41. 
  
  
  
  41. }
    42.

使用 -gcflags=-m=2 參數(shù)編譯這個函數(shù)能讓我們看到編譯器分配給每個函數(shù)的開銷：

 
 
 
    
  
  
  
  1. % go build -gcflags=-m=2 inl.go
    2. 
  
  
  
  2. # command-line-arguments
    3. 
  
  
  
  3. ./inl.go:3:6: can inline small with cost 7 as: func() string { s := "hello, world!"; return s }
    4. 
  
  
  
  4. ./inl.go:8:6: cannot inline large: function too complex: cost 82 exceeds budget 80
    5. 
  
  
  
  5. ./inl.go:38:6: can inline main with cost 68 as: func() { small(); large() }
    6. 
  
  
  
  6. ./inl.go:39:7: inlining call to small func() string { s := "hello, world!"; return s }
    7.

編譯器根據(jù)函數(shù) func small() 的開銷（7）決定可以對它內(nèi)聯(lián)，而 func large() 的開銷太大，編譯器決定不進行內(nèi)聯(lián)。func main() 被標記為適合內(nèi)聯(lián)的，分配了 68 的開銷；其中 small 占用 7，調(diào)用 small 函數(shù)占用 57，剩余的（4）是它自己的開銷。

可以用 -gcflag=-l 參數(shù)控制內(nèi)聯(lián)預(yù)算的等級。下面是可使用的值：

  • -gcflags=-l=0 默認的內(nèi)聯(lián)等級。
  • -gcflags=-l（或 -gcflags=-l=1）取消內(nèi)聯(lián)。
  • -gcflags=-l=2 和 -gcflags=-l=3 現(xiàn)在已經(jīng)不使用了。和 -gcflags=-l=0 相比沒有區(qū)別。
  • -gcflags=-l=4 減少非葉子函數(shù)和通過接口調(diào)用的函數(shù)的開銷。2

不確定語句的優(yōu)化

一些函數(shù)雖然內(nèi)聯(lián)的開銷很小，但由于太復(fù)雜它們?nèi)圆贿m合進行內(nèi)聯(lián)。這就是函數(shù)的不確定性，因為一些操作的語義在內(nèi)聯(lián)后很難去推導，如 recover、break。其他的操作，如 select 和 go 涉及運行時的協(xié)調(diào)，因此內(nèi)聯(lián)后引入的額外的開銷不能抵消內(nèi)聯(lián)帶來的收益。

不確定的語句也包括 for 和 range，這些語句不一定開銷很大，但目前為止還沒有對它們進行優(yōu)化。

棧中函數(shù)優(yōu)化

在過去，Go 編譯器只對葉子函數(shù)進行內(nèi)聯(lián) —— 只有那些不調(diào)用其他函數(shù)的函數(shù)才有資格。在上一段不確定的語句的探討內(nèi)容中，一次函數(shù)調(diào)用就會讓這個函數(shù)失去內(nèi)聯(lián)的資格。

進入棧中進行內(nèi)聯(lián)，就像它的名字一樣，能內(nèi)聯(lián)在函數(shù)調(diào)用棧中間的函數(shù)，不需要先讓它下面的所有的函數(shù)都被標記為有資格內(nèi)聯(lián)的。棧中內(nèi)聯(lián)是 David Lazar 在 Go 1.9 中引入的，并在隨后的版本中做了改進。這篇文稿深入探究了保留棧追蹤行為和被深度內(nèi)聯(lián)后的代碼路徑里的 runtime.Callers 的難點。

在前面的例子中我們看到了棧中函數(shù)內(nèi)聯(lián)。內(nèi)聯(lián)后，func main() 包含了 func small() 的函數(shù)體和對 func large() 的一次調(diào)用，因此它被判定為非葉子函數(shù)。在過去，這會阻止它被繼續(xù)內(nèi)聯(lián)，雖然它的聯(lián)合開銷小于內(nèi)聯(lián)預(yù)算。

棧中內(nèi)聯(lián)的最主要的應(yīng)用案例就是減少貫穿函數(shù)調(diào)用棧的開銷。考慮下面的例子：

 
 
 
    
  
  
  
  1. package main
    2. 
  
  
  
  2. 
  
  
  
  3. import (
    4. 
  
  
  
  4.  "fmt"
    5. 
  
  
  
  5.  "strconv"
    6. 
  
  
  
  6. )
    7. 
  
  
  
  7. 
  
  
  
  8. type Rectangle struct {}
    9. 
  
  
  
  9. 
  
  
  
  10. //go:noinline
    11. 
  
  
  
  11. func (r *Rectangle) Height() int {
    12. 
  
  
  
  12.  h, _ := strconv.ParseInt("7", 10, 0)
    13. 
  
  
  
  13.  return int(h)
    14. 
  
  
  
  14. }
    15. 
  
  
  
  15. 
  
  
  
  16. func (r *Rectangle) Width() int {
    17. 
  
  
  
  17.  return 6
    18. 
  
  
  
  18. }
    19. 
  
  
  
  19. 
  
  
  
  20. func (r *Rectangle) Area() int { return r.Height() * r.Width() }
    21. 
  
  
  
  21. 
  
  
  
  22. func main() {
    23. 
  
  
  
  23.  var r Rectangle
    24. 
  
  
  
  24.  fmt.Println(r.Area())
    25. 
  
  
  
  25. }
    26.

在這個例子中， r.Area() 是個簡單的函數(shù)，調(diào)用了兩個函數(shù)。r.Width() 可以被內(nèi)聯(lián)，r.Height() 這里用 //go:noinline 指令標注了，不能被內(nèi)聯(lián)。3

 
 
 
    
  
  
  
  1. % go build -gcflags='-m=2' square.go 
    2. 
  
  
  
  2. # command-line-arguments
    3. 
  
  
  
  3. ./square.go:12:6: cannot inline (*Rectangle).Height: marked go:noinline 
    4. 
  
  
  
  4. ./square.go:17:6: can inline (*Rectangle).Width with cost 2 as: method(*Rectangle) func() int { return 6 }
    5. 
  
  
  
  5. ./square.go:21:6: can inline (*Rectangle).Area with cost 67 as: method(*Rectangle) func() int { return r.Height() * r.Width() } 
    6. 
  
  
  
  6. ./square.go:21:61: inlining call to (*Rectangle).Width method(*Rectangle) func() int { return 6 } 
    7. 
  
  
  
  7. ./square.go:23:6: cannot inline main: function too complex: cost 150 exceeds budget 80 
    8. 
  
  
  
  8. ./square.go:25:20: inlining call to (*Rectangle).Area method(*Rectangle) func() int { return r.Height() * r.Width() }
    9. 
  
  
  
  9. ./square.go:25:20: inlining call to (*Rectangle).Width method(*Rectangle) func() int { return 6 }
    10.

由于 r.Area() 中的乘法與調(diào)用它的開銷相比并不大，因此內(nèi)聯(lián)它的表達式是純收益，即使它的調(diào)用的下游 r.Height() 仍是沒有內(nèi)聯(lián)資格的。

快速路徑內(nèi)聯(lián)

關(guān)于棧中內(nèi)聯(lián)的效果最令人吃驚的例子是 2019 年 Carlo Alberto Ferraris 通過允許把 sync.Mutex.Lock() 的快速路徑（非競爭的情況）內(nèi)聯(lián)到它的調(diào)用方來提升它的性能。在這個修改之前，sync.Mutex.Lock() 是個很大的函數(shù)，包含很多難以理解的條件，使得它沒有資格被內(nèi)聯(lián)。即使鎖可用時，調(diào)用者也要付出調(diào)用 sync.Mutex.Lock() 的代價。

Carlo 把 sync.Mutex.Lock() 分成了兩個函數(shù)（他自己稱為外聯(lián)outlining）。外部的 sync.Mutex.Lock() 方法現(xiàn)在調(diào)用 sync/atomic.CompareAndSwapInt32() 且如果 CAS（比較并交換Compare and Swap）成功了之后立即返回給調(diào)用者。如果 CAS 失敗，函數(shù)會走到 sync.Mutex.lockSlow() 慢速路徑，需要對鎖進行注冊，暫停 goroutine。4

 
 
 
    
  
  
  
  1. % go build -gcflags='-m=2 -l=0' sync 2>&1 | grep '(*Mutex).Lock'
    2. 
  
  
  
  2. ../go/src/sync/mutex.go:72:6: can inline (*Mutex).Lock with cost 69 as: method(*Mutex) func() { if "sync/atomic".CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) { if race.Enabled { }; return }; m.lockSlow() }
    3.

通過把函數(shù)分割成一個簡單的不能再被分割的外部函數(shù)，和（如果沒走到外部函數(shù)就走到的）一個處理慢速路徑的復(fù)雜的內(nèi)部函數(shù)，Carlo 組合了棧中函數(shù)內(nèi)聯(lián)和編譯器對基礎(chǔ)操作的支持，減少了非競爭鎖 14% 的開銷。之后他在 sync.RWMutex.Unlock() 重復(fù)這個技巧，節(jié)省了另外 9% 的開銷。


名稱欄目：Go中對棧中函數(shù)進行內(nèi)聯(lián)
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