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关于golang:详解Go内联优化

jiezi

为了保障程序的执行高效与平安，古代编译器并不会将程序员的代码间接翻译成相应地机器码，它须要做一系列的查看与优化。Go 编译器默认做了很多相干工作，例如 未应用的援用包查看、未应用的申明变量查看、无效的括号查看、逃逸剖析、内联优化、删除无用代码 等。本文重点探讨内联优化相干内容。

内联

在《详解逃逸剖析》一文中，咱们剖析了栈分配内存会比堆调配高效地多，那么，咱们就会心愿对象能尽可能被调配在栈上。在 Go 中，一个 goroutine 会有一个独自的栈，栈又会蕴含多个栈帧，栈帧是函数调用时在栈上为函数所调配的区域。但其实，函数调用是存在一些固定开销的，例如保护帧指针寄存器 BP、栈溢出检测等。因而，对于一些代码行比拟少的函数，编译器偏向于将它们在编译期开展从而打消函数调用，这种行为就是内联。

性能比照

首先，看一下函数内联与非内联的性能差别。

//go:noinline
func maxNoinline(a, b int) int {
    if a < b {return b}
    return a
}

func maxInline(a, b int) int {
    if a < b {return b}
    return a
}

func BenchmarkNoInline(b *testing.B) {
    x, y := 1, 2
    b.ResetTimer()
    for i := 0; i < b.N; i++ {maxNoinline(x, y)
    }
}

func BenchmarkInline(b *testing.B) {
    x, y := 1, 2
    b.ResetTimer()
    for i := 0; i < b.N; i++ {maxInline(x, y)
    }
}

在程序代码中，想要禁止编译器内联优化很简略，在函数定义前一行增加 //go:noinline 即可。以下是性能比照后果

BenchmarkNoInline-8     824031799                1.47 ns/op
BenchmarkInline-8       1000000000               0.255 ns/op

因为函数体外部的执行逻辑非常简单，此时内联与否的性能差别次要体现在函数调用的固定开销上。不言而喻，该差别是十分大的。

内联场景

此时，爱思考的读者可能就会产生疑难：既然内联优化成果这么显著，是不是所有的函数调用都能够内联呢？答案是不能够。因为内联，其实就是将一个函数调用原地开展，替换成这个函数的实现。当该函数被屡次调用，就会被屡次开展，这会减少编译后二进制文件的大小。而非内联函数，只须要保留一份函数体的代码，而后进行调用。所以，在空间上，一般来说应用内联函数会导致生成的可执行文件变大（但须要思考内联的代码量、调用次数、保护内联关系的开销）。

问题来了，编译器内联优化的抉择策略是什么？

package main

func add(a, b int) int {return a + b}

func iter(num int) int {
    res := 1
    for i := 1; i <= num; i++ {res = add(res, i)
    }
    return res
}

func main() {
    n := 100
    _ = iter(n)
}

假如源码文件为 main.go，可通过执行go build -gcflags="-m -m" main.go 命令查看编译器的优化策略。

$ go build -gcflags="-m -m" main.go
# command-line-arguments
./main.go:3:6: can inline add with cost 4 as: func(int, int) int {return a + b}
./main.go:7:6: cannot inline iter: unhandled op FOR
./main.go:10:12: inlining call to add func(int, int) int {return a + b}
./main.go:15:6: can inline main with cost 67 as: func() { n := 100; _ = iter(n) }

通过以上信息，可知编译器判断 add 函数与 main 函数都能够被内联优化，并将 add 函数内联。同时能够留神到的是，iter函数因为存在循环语句并不能被内联：cannot inline iter: unhandled op FOR。实际上，除了 for 循环，还有一些状况不会被内联，例如闭包，select，for，defer，go关键字所开启的新 goroutine 等，具体可见 src/cmd/compile/internal/gc/inl.go 相干内容。

    case OCLOSURE,
        OCALLPART,
        ORANGE,
        OFOR,
        OFORUNTIL,
        OSELECT,
        OTYPESW,
        OGO,
        ODEFER,
        ODCLTYPE, // can't print yet
        OBREAK,
        ORETJMP:
        v.reason = "unhandled op" + n.Op.String()
        return true

在上文提到过，内联只针对小代码量的函数而言，那么到底是小于多少才算是小代码量呢？

此时，我将下面的 add 函数，更改为如下内容

func add(a, b int) int {
    a = a + 1
    return a + b
}

执行 go build -gcflags="-m -m" main.go 命令，失去信息

./main.go:3:6: can inline add with cost 9 as: func(int, int) int {a = a + 1; return a + b}

比照之前的信息

./main.go:3:6: can inline add with cost 4 as: func(int, int) int {return a + b}

能够发现，存在 cost 4 与cost 9的区别。这里的数值代表的是形象语法树 AST 的节点，a = a + 1蕴含的是 5 个节点。Go 函数中 超过 80 个节点的代码量就不再内联 。例如，如果在add 中写入 16 个a = a + 1，则不再内联。

./main.go:3:6: cannot inline add: function too complex: cost 84 exceeds budget 80
内联表

内联会将函数调用的过程抹掉，这会引入一个新的问题：代码的堆栈信息还是否保障。举个例子，如果程序产生 panic，内联之后的程序，还是否精确的打印出堆栈信息？看以下例子。

package main

func sub(a, b int) {
    a = a - b
    panic("i am a panic information")
}

func max(a, b int) int {
    if a < b {sub(a, b)
    }
    return a
}

func main() {
    x, y := 1, 2
    _ = max(x, y)
}

在该代码样例中，max函数将被内联。执行程序，输入后果如下

panic: i am a panic information

goroutine 1 [running]:
main.sub(...)
        /Users/slp/go/src/workspace/example/main.go:5
main.max(...)
        /Users/slp/go/src/workspace/example/main.go:10
main.main()
        /Users/slp/go/src/workspace/example/main.go:17 +0x3a

咱们能够发现，panic 仍然输入了正确的程序堆栈信息，包含源文件地位和行号信息。那，Go 是如何做到的呢？这是因为 Go 外部会为每个存在内联优化的 goroutine 维持一个内联树（inlining tree），该树可通过 go build -gcflags="-d pctab=pctoinline" main.go 命令查看

funcpctab "".sub [valfunc=pctoinline]
...
wrote 3 bytes to 0xc000082668
 00 42 00
funcpctab "".max [valfunc=pctoinline]
...
wrote 7 bytes to 0xc000082f68
 00 3c 02 1d 01 09 00
-- inlining tree for "".max:
0 | -1 | "".sub (/Users/slp/go/src/workspace/example/main.go:10:6) pc=59
--
funcpctab "".main [valfunc=pctoinline]
...
wrote 11 bytes to 0xc0004807e8
 00 1d 02 01 01 07 04 16 03 0c 00
-- inlining tree for "".main:
0 | -1 | "".max (/Users/slp/go/src/workspace/example/main.go:17:9) pc=30
1 | 0 | "".sub (/Users/slp/go/src/workspace/example/main.go:10:6) pc=29
--
内联管制

Go 程序编译时，默认将进行内联优化。咱们可通过 -gcflags="-l" 选项全局禁用内联，与一个 -l 禁用内联相同，如果传递两个或两个以上的 -l 则会关上内联，并启用更激进的内联策略。如果不想全局范畴内禁止优化，则能够在函数定义时增加 //go:noinline 编译指令来阻止编译器内联函数。

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