我是如何实现Go性能5倍提升的？

腾讯云开发者

发布于 2024-01-04 09:27:02

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发布于 2024-01-04 09:27:02

文章被收录于专栏：【腾讯云开发者】

👉导读

代码的稳健、可读和高效是每一位 coder 的共同追求，写出更高效的代码不仅让自己爽、让 reviewer 赏心悦目，更能对业务带来实际的正面影响。本文将从实践及源码层面对 Go 的高性能编程进行解析，带你进入 Go 的高性能世界。

👉目录

1 为什么要进行性能优化

2 Go中如何对性能进行度量与分析

3 常用结构、用法背后的故事

4 空间与布局

5 并发编程

6 其他

01、为什么要进行性能优化

对 Golang 程序进行性能优化，可以在提升业务收益的同时，起到降低成本的作用。笔者在做一次代码重构时发现过一个问题，DeepCopy 占据了大量 CPU 时间，其处理逻辑如下：

x1 := DeepCopy(x)       // 对x进行deep copy
Modify(x)                       // 对x进行修改
Read(x1)                        // 读取旧x
.........

我们完全可以通过简单业务逻辑调整，比如调整处理的先后顺序等移除DeepCopy。优化前后性能对比如下：

性能有5倍左右提升，折算到成本上的收益是巨大的。

02、Go 中如何对性能进行度量与分析

2.1 Benchmark

Benchmark 示例

func BenchmarkConvertReflect(b *testing.B) {
var v interface{} = int32(64)
for i:=0;i<b.N;i++{
        f := reflect.ValueOf(v).Int()
if f != int64(64){
            b.Error("errror")
        }
    }
}

函数固定以 Benchmark 开头，其位于_test.go 文件中，入参为 testing.B 业务逻辑应放在 for 循环中，因为 b.N 会依次取值 1, 2, 3, 5, 10, 20, 30, 50,100.........，直至执行时间超过 1s

可以运行 go test -bench 命令执行 benchmark，其结果如下：

➜  gotest666 go test -bench='BenchmarkConvertReflect' -run=none
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: gotest666
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkConvertReflect-12      520200014            2.291 ns/op

--bench='BenchmarkConvertReflect'，要执行的 benchmark。需注意:该参数支持模糊匹配，如--bench='Get|Set' ，支持./...-run=none，只进行 Benchmark，不执行单测

BenchmarkConvertReflect, 在12核下，1s内执行了520200014次，每次约2.291ns。

高级用法

➜  gotest666 go test -bench='Convert' -run=none -benchtime=2s -count=3 -cpu='2,4' -benchmem -cpuprofile=cpu.profile -memprofile=mem.profile -blockprofile=blk.profile -trace=trace.out -gcflags=all=-l
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: gotest666
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkConvertReflect-2       1000000000           2.286 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkConvertReflect-2       1000000000           2.302 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkConvertReflect-2       1000000000           2.239 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkConvertReflect-4       1000000000           2.244 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkConvertReflect-4       1000000000           2.236 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkConvertReflect-4       1000000000           2.247 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
PASS

-benchtime=2s'，依次递增 b.N 直至运行时间超过 2s-count=3，执行 3 轮-benchmem,b.ReportAllocs，展示堆分配信息，0 B/op, 0 allos/op 分别代表每次分配了多少空间，每个 op 有多少次空间分配-cpu='2,4'，依次在 2 核、4 核下进行测试-cpuprofile=xxxx -memprofile=xxx -trace=trace.out，benmark 时生成 profile、trace 文件-gcflags=all=-l，停止编译器的内联优化b.ResetTimer, b.StartTimer/b.StopItmer，重置定时器b.SetParallelism、b.RunParallel，并发执行，设置并发的协程数

目前对 Go 性能进行分析的主要工具包含:profile、trace，以下是对二者的介绍。

2.2 profile

go profile 主要是通过对快照中数据进行采样实现，采样命中越多说明函数越是热点 Go 中 profile 包括: cpu、heap、mutex、goroutine。要在 Go 中启用 profile 数据采集，主要包含以下几种方式:

通过运行时函数，pprof.StartCPUProfile、pprof.WriteHeapProfile 等；
通过导入 net/http/pprof 包，请求相关接口(debug/pprof/*)；
go test 中使用-cpuprofile、-memprofile、-mutexprofile、-blockprofile等。

对 Profile 数据的解析，Go 提供了命令行工具 pprof、web 服务，以命令行工具为例，如下：

go tool pprof cpu.profile
(pprof) top 15
Showing nodes accounting for 14680ms, 99.46% of 14760ms total
Dropped 30 nodes (cum <= 73.80ms)
      flat  flat%   sum%        cum   cum%
2900ms 19.65% 19.65%     4590ms 31.10%  reflect.unpackEface (inline)
2540ms 17.21% 36.86%    13280ms 89.97%  gotest666.BenchmarkConvertReflect
1680ms 11.38% 48.24%     1680ms 11.38%  reflect.(*rtype).Kind (inline)

(pprof) list gotest666.BenchmarkConvertReflect
Total: 14.76s
ROUTINE ======================== gotest666.BenchmarkConvertReflect in /Users/zhangyuxin/go/src/gotest666/a_test.go
2.54s     13.28s (flat, cum) 89.97% of Total
         .          .      8:func BenchmarkConvertReflect(b *testing.B) {
         .          .      9:   var v interface{} = int32(64)
1.30s      1.41s     10:   for i:=0;i<b.N;i++{
         .     10.63s     11:       f := reflect.ValueOf(v).Int()
1.24s      1.24s     12:       if f != int64(64){
         .          .     13:           b.Error("errror")
         .          .     14:       }
         .          .     15:   }
         .          .     16:}
         .          .     17:
(pprof)

flat,cum 分别代表了当前函数、当前函数调用函数的统计信息top、list、tree是用的最多的命令

Go 对 profile 进行解析的 web 服务包含调用图、火焰图等，可以通过 -http 参数打开。

go tool pprof -http=":8081" cpu.profile

对于调用图，边框、字体的颜色越深，代表消耗资源越多。实线代表直接调用，虚线代表非直接调用（中间还有其他调用）火焰图代表了调用层级，函数调用栈越长，火焰越高。同一层级，框越长、颜色越深占用资源越多。

profile 是通过采样实现，存在精度问题、且会对性能有影响。

2.3 trace

profile 工具基于快照的统计信息，存在精度问题。

为此 Go 还提供了 trace 工具，其基于事件的统计能够提供更加详细的信息。此外 trace 还把 P、G、M 等相关信息聚合在一起，从全局对问题进行一个更加直观的解释，如下图：

Go 中启用 trace 数据采集，可以通过以下方式：

通过runtime/trace函数，trace.Start、trace.Stop；
通过导入net/http/pprof，请求debug/pprof/*相关接口；
通过 go test 中 trace 参数。

以 runtime/trace 为例，如下：

import (
"os"
"runtime/trace"
)

func main() {
    f, _ := os.Create("trace.out")
    trace.Start(f)
defer trace.Stop()

    ch := make(chan string)
go func() {
        ch <- "this is a test"
    }()

    <-ch
}

go tool trace trace.out，会打开 web 页面，结果包含如下信息：

View trace         // 按照时间查看thread、goroutine分析、heap等相关信息
Goroutine analysis // goroutine相关分析
Syscall blocking profile    // syscall 相关
Scheduler latency profile   // 调度相关
........

需要注意，基于事件的数据采集方式，会导致性能有25%左右下降。

03、常用结构、用法背后的故事

3.1 interface、reflect

Go 中较多的 interface、reflect 会对性能有影响，但 interface、reflect 为什么会对性能有影响？

interface

Go 中 interface 包含2种，eface(empty face)、iface， eface 代表了不含方法的 interface 类型、iface 标识包含方法的 interface。

iface、eface 的定义位于 runtime2.go、type.go，其定义如下：

type iface struct {
    tab  *itab
    data unsafe.Pointer
}

type eface struct {
    _type *_type            // 类型信息
    data  unsafe.Pointer    // 数据
}

type itab struct {
  ........
    _type *_type
    .......
}

type _type struct {
    size       uintptr    // 大小信息
    .......
    hash       uint32     // 类型信息
    tflag      tflag        
    align      uint8      // 对齐信息
    .......
}

因为同时包含类型、数据，Go 中所有类型都可以转换为 interface。interface 赋值的过程，即为 iface、eface 生成的过程。如果编译阶段编译器无法确定 interface 类型（比如 :iface 入参）会通过 conv 完成打包，有可能会导致逃逸。conv 系列函数定义位于 iface.go，如下:

// convT converts a value of type t, which is pointed to by v, to a pointer that can
// be used as the second word of an interface value.
func convT(t *_type, elem unsafe.Pointer) (e eface) {
    .....
    x := mallocgc(t.size, t, true)      // 空间的分配
    typedmemmove(t, x, elem)                    // memove
    e._type = t
    e.data = x
return
}

func convT64(val uint64) (x unsafe.Pointer) {
if val < uint64(len(staticuint64s)) {
        x = unsafe.Pointer(&amp;staticuint64s[val])
    } else {
        x = mallocgc(8, uint64Type, false)
        *(*uint64)(x) = val
    }
return
}

var staticuint64s = [...]uint64{....}   // 长度256的数组

很多对 interface 类型的赋值(并非所有)，都会导致空间的分配和拷贝，这也是 Interface 函数为什么可能会导致逃逸的原因 go 这么做的主要原因：逃逸的分析位于编译阶段，对于不确定的类型在堆上分配最为合适。

Reflect.Value

Go 中 reflect 机制涉及到2个类型，reflect.Type、reflect.Value，reflect.Type 是 Interface。

reflect.Value 定义位于 value.go、type.go，其定义与 eface 类似：

type Value struct {
    typ *rtype  // type._type
    ptr unsafe.Pointer
    flag
}

// rtype must be kept in sync with ../runtime/type.go:/^type._type.
type rtype struct {
    ....
}

相似的实现，即为 interface 和 reflect 可以相互转换的原因。

reflect.Value 是通过 reflect.ValueOf 生成，reflect.ValueOf 也可能会导致数据逃逸，其定义位于 value.go 中，如下：

func ValueOf(i interface{}) Value {
if i == nil {
return Value{}
    }
// TODO: Maybe allow contents of a Value to live on the stack.
// For now we make the contents always escape to the heap.
    escapes(i) // 逃逸
return unpackEface(i) // unpack eface
}

// dummy为全局变量，作用域不确定可能会逃逸
func escapes(x any) {
if dummy.b {
        dummy.x = x
    }
}

再次强调：逃逸的分析是在编译阶段进行的。

一个简单的例子：

func main() {
var x = "xxxx"
_ = reflect.ValueOf(x)
}

结果如下：

➜  gotest666 go build -gcflags="-m -l" main.go
# command-line-arguments
./main.go:26:21: inlining call to reflect.ValueOf
./main.go:26:21: inlining call to reflect.escapes
./main.go:26:21: inlining call to reflect.unpackEface
./main.go:26:21: inlining call to reflect.(*rtype).Kind
./main.go:26:21: inlining call to reflect.ifaceIndir
./main.go:26:22: x escapes to heap

需要注意，逃逸的检测是通过-gcflags=-m，一般还需要关闭内联比如-gcflags="-m -l"。

类型的选择：强类型 vs interface

为降低可能的空间分配、拷贝，建议只在必要情况下使用 interface、reflect。

针对函数定义中强类型、interface 的性能对比，测试如下：

type testStruct struct {
    Data [8192]byte
}

func StrongType(t testStruct) {
    t.Data[0] = 1
}

func InterfaceType(ti interface{}) {
    ts := ti.(testStruct)
    ts.Data[0] = 1
}

func BenchmarkTypeStrong(b *testing.B) {
    t := testStruct{}
    t.Data[0] = 2
for i := 0; i < b.N; i++ {
        StrongType(t)
    }
}

func BenchmarkTypeInterface(b *testing.B) {
    t := testStruct{}
    t.Data[0] = 2
for i := 0; i < b.N; i++ {
        InterfaceType(t)
    }
}

会导致逃逸时(sizeof(testStruct.Dat)==8192)：

➜  test go test -bench='Type' -run=none -benchmem
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: gotest666/test
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkTypeStrong-12          1000000000           0.2546 ns/op          0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkTypeInterface-12         799846          1399 ns/op        8192 B/op          1 allocs/op
PASS

没有逃逸时(sizeof(testStruct.Dat)==1)：

➜  test go test -bench='Type' -run=none -benchmem
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: gotest666/test
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkTypeStrong-12          1000000000           0.2549 ns/op          0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkTypeInterface-12       1000000000           0.2534 ns/op          0 B/op          0 allocs/op
PASS

在一些会导致逃逸的情况下，不建议使用 Interface。

目前一些可能会导致逃逸的函数：

函数	应用场景
fmt系列，包括:fmt.Sprinf、fmt.Sprint等	数据转换、格式化打印
binary.Read/binary.Write	二级制数据读写
Json.Marshal/json.UnMarshal	json相关

类型转换: 强转 vs 断言 vs reflect

目前 Go 中数据类型转换，存在以下几种方式：

强转，如 int 转 int64，可用 int64(intData)。强转是对底层数据进行语意上的重新解释；
interface 的断言，根据已有信息，对变量类型进行断言，如 interfaceData.(int64)，会利用 type 中相关信息，对类型进行校验、转换；
reflect 相关函数，如 reflect.Valueof(intData).Int()，其中 intData 可以为各种 int 相关类型，具有非常好的灵活性。

针对此的测试如下：

type testStruct struct {
    Data [8192]byte
}

func BenchmarkConvertForce(b *testing.B) {
for i := 0; i < b.N; i++ {
var v = int32(64)
        f := int64(v)
if f != int64(64) {
            b.Error("errror")
        }
    }
}

func BenchmarkConvertReflect(b *testing.B) {
for i := 0; i < b.N; i++ {
var v = int32(64)
        f := reflect.ValueOf(v).Int()
if f != int64(64) {
            b.Error("errror")
        }
    }
}

func BenchmarkConvertAssert(b *testing.B) {
for i := 0; i < b.N; i++ {
var v interface{} = int32(64)
        f := v.(int32)
if f != int32(64) {
            b.Error("error")
        }
    }
}

func BenchmarkConvertBigReflect(b *testing.B) {
for i := 0; i < b.N; i++ {
        f := reflect.ValueOf(testStruct{}).Interface().(testStruct)
if len(f.Data) <= 0 {
            b.Error("errror")
        }
    }
}

func BenchmarkConvertBigAssert(b *testing.B) {
for i := 0; i < b.N; i++ {
var v interface{} = testStruct{}
        f := v.(testStruct)
if len(f.Data) <= 0 {
            b.Error("error")
        }
    }
}
➜  test go test -bench='Convert' -run=none -benchmem
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: gotest666/test
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkConvertForce-12            1000000000           0.2561 ns/op          0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkConvertReflect-12          259114099            3.892 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkConvertAssert-12           1000000000           0.5068 ns/op          0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkConvertBigReflect-12         759171          1595 ns/op        8192 B/op          1 allocs/op
BenchmarkConvertBigAssert-12          827790          1593 ns/op        8192 B/op          1 allocs/op

性能上：强类型转换/assert > reflect。

3.2 常用 map

Go 中常用的 map 包含，runtime.map、sync.map 和第三方的 ConcurrentMap。

Go 中 map 的定义位于 map.go，是基于 bucket 的 map的实现，如下：

type hmap struct {
    ......
    B         uint8  // buckets中桶的数目为2的B次方个
    hash0     uint32 // hash seed

    buckets    unsafe.Pointer // bucket实现
    oldbuckets unsafe.Pointer // 旧bucket，主要用于rehash的渐渐式迁移
    ......
}

其结构如下：

sync.map 定义位于 map.go 中，其是典型的以空间换时间的处理，其以通过 readonly 实现了冗余读，具体如下：

type readOnly struct {
    m       map[interface{}]*entry
    amended bool // true if the dirty map contains some key not in m.
}

type entry struct {
    p unsafe.Pointer // *interface{}
}

type Map struct {
    mu Mutex
    read atomic.Value // readOnly数据
    dirty map[interface{}]*entry
    misses int
}

read 中存储的是 dirty 数据的一个指针副本，在读多写少的情况下，可以实现无锁的数据读取，以读取为例其处理逻辑如下：

func (m *Map) Load(key any) (value any, ok bool) {
    read, _ := m.read.Load().(readOnly)
    e, ok := read.m[key]
if !ok && read.amended {
        m.mu.Lock()
// double check
        read, _ = m.read.Load().(readOnly)
        e, ok = read.m[key]
if !ok && read.amended {
// 从dirty查询
            e, ok = m.dirty[key]
            m.missLocked()
        }
        m.mu.Unlock()
    }
if !ok {
return nil, false
    }
return e.load()
}

ConcurrentMap，其采用分段锁的原理，通过降低锁的粒度提升性能，参见：current-map。

针对 map、sync.map、ConcurrentMap 的测试如下：

const mapCnt = 20
func BenchmarkStdMapGetSet(b *testing.B) {
    mp := map[string]string{}
    keys := []string{"a", "b", "c", "e", "f", "g", "h", "i", "j", "k", "l", "m", "n", "o", "p", "q", "r"}
for i := range keys {
        mp[keys[i]] = keys[i]
    }
var m sync.Mutex
    b.ResetTimer()
    b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
for pb.Next() {
for i := 0; i < mapCnt; i++ {
for j := range keys {
                    m.Lock()
                    _ = mp[keys[j]]
                    m.Unlock()
                }
            }

            m.Lock()
            mp["d"] = "d"
            m.Unlock()
        }
    })
}

func BenchmarkSyncMapGetSet(b *testing.B) {
var mp sync.Map
    keys := []string{"a", "b", "c", "e", "f", "g", "h", "i", "j", "k", "l", "m", "n", "o", "p", "q", "r"}
for i := range keys {
        mp.Store(keys[i], keys[i])
    }
    b.ResetTimer()
    b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
for pb.Next() {
for i := 0; i < mapCnt; i++ {
for j := range keys {
                    _, _ = mp.Load(keys[j])
                }
            }

            mp.Store("d", "d")
        }
    })
}

func BenchmarkConcurrentMapGetSet(b *testing.B) {
    m := cmap.New[string]()
    keys := []string{"a", "b", "c", "e", "f", "g", "h", "i", "j", "k", "l", "m", "n", "o", "p", "q", "r"}
for i := range keys {
        m.Set(keys[i], keys[i])
    }
    b.ResetTimer()
    b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
for pb.Next() {
for i := 0; i < mapCnt; i++ {
for j := range keys {
                    _, _ = m.Get(keys[j])
                }
            }

            m.Set("d", "d")
        }
    })
}

读写操作比，20:20

➜  test go test -bench='GetSet' -run=none -benchmem
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: gotest666/test
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkStdMapGetSet-12               44818         29318 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkSyncMapGetSet-12             159310          8013 ns/op         320 B/op         20 allocs/op
BenchmarkConcurrentMapGetSet-12       155390          8032 ns/op           0 B/op          0 allocs/op

读写操作比，1:20

➜  test go test -bench='GetSet' -run=none -benchmem
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: gotest666/test
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkStdMapGetSet-12              466243          2553 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkSyncMapGetSet-12             255799          4657 ns/op         320 B/op         20 allocs/op
BenchmarkConcurrentMapGetSet-12       414024          2721 ns/op           0 B/op          0 allocs/op

读写操作比，20:1

➜  test go test --bench='GetSet' -run=none -benchmem
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: gotest666/test
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkStdMapGetSet-12               49065         24976 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkSyncMapGetSet-12             722704          1756 ns/op          16 B/op          1 allocs/op
BenchmarkConcurrentMapGetSet-12       227001          5206 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
PASS

读>>写时，建议用 sync.Map。写>>读时，建议用 runtime.map。读=写时，建议用 courrentMap

3.3 hash 的实现: index vs map

在使用到 hash 的场景，除了 map，我们还可以基于 slice 或者数组索引的方式实现另外一种 map，即把 index 当做 key、value 当做 hash 的值，如下。

其性能对比如下：

func BenchmarkHashIdx(b *testing.B) {
var data = [10]int{0: 1, 1: 1, 2: 2, 3: 3, 4: 4, 5: 5, 6: 6, 7: 7, 8: 8, 9: 9}
for i := 0; i < b.N; i++ {
        tmp := data[b.N%10]
        _ = tmp
    }
}
func BenchmarkHashMap(b *testing.B) {
var data = map[int]int{0: 1, 1: 1, 2: 2, 3: 3, 4: 4, 5: 5, 6: 6, 7: 7, 8: 8, 9: 9}
for i := 0; i < b.N; i++ {
        tmp := data[b.N%10]
        _ = tmp
    }
}
➜  test go test --bench='Hash' -run=none -benchmem
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: gotest666/test
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkHashIdx-12     1000000000           1.003 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkHashMap-12     196543544            7.665 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
PASS

可见其性能会有5倍左右提升。

3.4 string 和 slice

string 和 slice 的定义

Go 中 string、slice 都是基于 buf、len 的元组的定义，二者定义都位于 value.go 中：

type StringHeader struct
    Data uintptr
    Len  int
}

type SliceHeader struct {
    Data uintptr
    Len  int
    Cap  int
}

通过二者定义可以得出：

在值拷贝背景下，string、slice 的赋值操作代价都不大；
slice 因为涉及到 cap，会涉及到预分配、惰性删除，其具体位于 slice.go。

String、[]byte 转换

Go 中 string 和 []byte 间相互转换包含2种：

采用原生机制，比如string转slice可采用，[]byte(strData)或者string(byteData)；
基于二者数据结构，对底层数据重新解释。

以 string 转换为 byte 为例，原生转换的转换会进行如下操作，其位于 string.go 中：

func stringtoslicebyte(buf *tmpBuf, s string) []byte {
var b []byte
if buf != nil && len(s) <= len(buf) { // 如果可以在tmpBuf中保存
        *buf = tmpBuf{}
        b = buf[:len(s)]
    } else {
        b = rawbyteslice(len(s)) // 如果32字节不够存储数据，则调用mallocgc分配空间
    }
copy(b, s)  // 数据拷贝
return b
}

// rawbyteslice allocates a new byte slice. The byte slice is not zeroed.
func rawbyteslice(size int) (b []byte) {
cap := roundupsize(uintptr(size))
    p := mallocgc(cap, nil, false)  // 空间分配
if cap != uintptr(size) {
        memclrNoHeapPointers(add(p, uintptr(size)), cap-uintptr(size))
    }

    *(*slice)(unsafe.Pointer(&b)) = slice{p, size, int(cap)}
return
}

其中 tmpBuf 定义为 type tmpBuf [32]byte。可见当 string 长度超过32字节时，会进行空间的分配、拷贝。

同理，byte 转换为 string，原生处理位于 slicebytetostring 函数，也位于 string.go 中。

针对多余的空间分配、拷贝问题，我们对其进行了封装，该实现通过对底层数据重新解释进行，具有较高的效率。

相关封装、ByteToString 性能对比如下：

// 对底层数据进行重新解释
func Bytes2String(b []byte) string {
   x := (*[3]uintptr)(unsafe.Pointer(&b))
   s := [2]uintptr{x[0], x[1]}
return *(*string)(unsafe.Pointer(&s))
}

func String2Bytes(s string) []byte {
    x := (*[2]uintptr)(unsafe.Pointer(&s))
    b := [3]uintptr{x[0], x[1], x[1]}
return *(*[]byte)(unsafe.Pointer(&b))
}

func BenchmarkByteToStringRaw(b *testing.B) {
   bytes := getByte(34)
   b.ResetTimer()
for i := 0; i < b.N; i++ {
      v := string(bytes)
if len(v) <= 0 {
         b.Error("error")
      }
   }
}

func BenchmarkByteToStringPointer(b *testing.B) {
   bytes := getByte(34)
   b.ResetTimer()
for i := 0; i < b.N; i++ {
      v := Bytes2String(bytes)
if len(v) <= 0 {
         b.Error("error")
      }
   }
}
➜  gotest666 go test --bench='ByteToString' -run=none -benchmem
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: gotest666
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkByteToStringRaw-12         47646651            23.37 ns/op       48 B/op          1 allocs/op
BenchmarkByteToStringPointer-12     1000000000           0.7539 ns/op          0 B/op          0 allocs/op

其性能提升的主要原因，0gc 0拷贝需要注意，本处理只针对转换，不涉及 append 等可能引起扩容的处理。

string 的拼接

当前 Golang 中字符串拼接方式，主要包含：

使用+连接字符串；
使用 fmt.Sprintf；
使用运行时提供的工具类，strings.Builder 或者 bytes.Buffer ；
预分配机制。

目前对+的处理，编译后其处理函数位于 string.go，当要连接的字符串长度>32时，每次会进行空间的分配和拷贝处理，其处理如下：

func concatstrings(buf *tmpBuf, a []string) string {
    idx := 0
    l := 0
    count := 0
for i, x := range a {  // 计算+链接字符的长度
        n := len(x)
if n == 0 {
continue
        }
if l+n < l {
            throw("string concatenation too long")
        }
        l += n
        count++
        idx = i
    }
if count == 0 {
return ""
    }
    .....
  s, b := rawstringtmp(buf, l) // 如果长度小于len(buf)(32)，则分配空间，否则使用buf
for _, x := range a {
copy(b, x)
        b = b[len(x):]
    }
return s
}

需要注意，tmpBuf 定义 type tmpBuf [32]byte。

fmt.Sprinf，涉及逃逸，也会有大量的空间分配、拷贝。

针对+、fmt.Sprintf 等的性能对比测试如下：

func BenchmarkStringJoinAdd(b *testing.B) {
var s string
for i := 0; i < b.N; i++ {
for i := 0; i < count; i++ {
         s += "10"
      }
   }
}

func BenchmarkStringJoinSprintf(b *testing.B) {
var s string
for i := 0; i < b.N; i++ {
for i := 0; i < count; i++ {
         s = fmt.Sprintf("%s%s", s, "10")
      }
   }
}

func BenchmarkStringJoinStringBuilder(b *testing.B) {
var sb strings.Builder
   sb.Grow(count * 2) // 预分配了空间
   b.ResetTimer()

for i := 0; i < b.N; i++ {
for i := 0; i < count; i++ {
         sb.WriteString("10")
      }
   }
}
➜  test go test -bench='StringJoin' -run=none -benchmem
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: gotest666/test
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkStringJoinAdd-12                             19     864766686 ns/op    7679332420 B/op    20365 allocs/op
BenchmarkStringJoinSprintf-12                         13    1546112322 ns/op    10474999415 B/op       65459 allocs/op
BenchmarkStringJoinStringBuilder-12                10000        205483 ns/op      234915 B/op          0 allocs/op
BenchmarkStringJoinStringBuilderPreAlloc-12        21061        139415 ns/op      217885 B/op          0 allocs/op

可以看出，空间预分配拥有最高性能指标。

其他的一些更为详细的测试参见：string连接。

3.5 循环的处理：for vs range

Go 中常用的循环有2种 for index 和 for range 如下：

按位置进行遍历，for 和 range 都支持，如 for i:=range a{}， for i:=0;i<len(a);i++。
同时对位置、值进行遍历，仅 range 支持，如 for i,v := range a {}。

Go 中循环经过一系列的编译、优化后，伪代码如下：

ta := a     // 容器的拷贝
i := 0
l := len(ta)    // 获取长度
for ; i < l; i++ {
    v := ta[i]  // 拷贝容器中元素，仅for range value支持
}

此处理可能会导致以下问题：

遍历前，会进行值的拷贝。如果容器是数组，会有大量数据拷贝，引用类型拷贝较少；
for range value 在遍历中存在对容器元素的拷贝；
遍历开始，已经确定了容器长度，中间添加的数据，不会遍历到。

针对此测试如下：

type Item struct {
    id  int
    val [8192]byte
}

func BenchmarkLoopFor(b *testing.B) {
var items [1024]Item
for i := 0; i < b.N; i++ {
        length := len(items)
var tmp int
for k := 0; k < length; k++ {
            tmp = items[k].id
        }
        _ = tmp
    }
}

func BenchmarkLoopRangeIndex(b *testing.B) {
var items [1024]Item
for i := 0; i < b.N; i++ {
var tmp int
for k := range items {
            tmp = items[k].id
        }
        _ = tmp
    }
}

func BenchmarkLoopRangeValue(b *testing.B) {
var items [1024]Item
for i := 0; i < b.N; i++ {
var tmp int
for _, item := range items {
            tmp = item.id
        }
        _ = tmp
    }
}

Sizeof(Item.val)=1

➜  test go test -bench='Loop' -run=none -benchmem
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: gotest666/test
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkLoopFor-12              4370520           273.2 ns/op         0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkLoopRangeIndex-12       4520882           265.6 ns/op         0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkLoopRangeValue-12       4293848           303.8 ns/op         0 B/op          0 allocs/op
PASS

sizeof(Item.val)=8192

➜  test go test --bench='Loop' -run=none -benchmem
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: gotest666/test
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkLoopFor-12              4334842           270.8 ns/op         0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkLoopRangeIndex-12       4436786           272.7 ns/op         0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkLoopRangeValue-12          7310        211009 ns/op           0 B/op          0 allocs/op

在需要较大存储空间、元素需要较大存储空间时，建议不要采用 for range value 的方式。

3.6 重载

目前 Go 中重载的实现包含2种，泛型(1.18)、基于 interface 的定义。

泛型的优点在于预编译，即编译期间即可确定类型，对比基于 interface 的逃逸会有一定收益。

具体测试如下：

func AddGeneric[T int | int16 | int32 | int64](a, b T) T {
return a + b
}

func AddInterface(a, b interface{}) interface{} {
switch a.(type) {
case int:
return a.(int) + b.(int)
case int32:
return a.(int32) + b.(int32)
case int64:
return a.(int64) + b.(int64)
    }
return 0
}

func BenchmarkOverLoadGeneric(b *testing.B) {
for i := 0; i < b.N; i++ {
        x := AddGeneric(i, i)
        _ = x
    }
}
func BenchmarkOverLoadInterface(b *testing.B) {
for i := 0; i < b.N; i++ {
        x := AddInterface(i, i)
        _ = x.(int)
    }
}
➜  test go test --bench='OverLoad' -run=none -benchmem
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: gotest666/test
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkOverLoadGeneric-12         1000000000           0.2778 ns/op          0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkOverLoadInterface-12       954258690            1.248 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
PASS

对比 interface 类型的处理，泛型有一定的性能的提升。

04、空间与布局

在栈上分配空间为什么会比堆上快？

4.1 栈与堆空间的分配

通过汇编，可观察栈空间分配机制，如下：

package main

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

其对应汇编代码如下：

main.test STEXT nosplit size=49 args=0x10 locals=0x10 funcid=0x0 align=0x0
0x0000 00000 (/Users/zhangyuxin/go/src/gotest666/test.go:3)     TEXT    main.test(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $16-16
0x0000 00000 (/Users/zhangyuxin/go/src/gotest666/test.go:3)     SUBQ    $16, SP         // 栈扩容
                ......
0x002c 00044 (/Users/zhangyuxin/go/src/gotest666/test.go:4)     ADDQ    $16, SP         // 栈释放
0x0030 00048 (/Users/zhangyuxin/go/src/gotest666/test.go:4)     RET

Go 中栈的扩容、释放只涉及到了 SUBQ、ADDQ 2 条指令。

对应的基于堆的内存分配，位于 malloc.go 中 mallocgc 函数，p 的定义、mheap 的定义分别位于 runtime2.go、mcache.go、mheap.go，其分配流程具体如下（以<32K, >8B为例）：

其中，直接从 p.mcache 获取空间不需要加锁（单协程），mheap 为全局变量通过 mheap.mcentral 获取空间需要加锁，从 os 分配空间需要系统调用 mmap。此外，堆上分配还需要考虑 gc 导致的 stw 等的影响，因此建议所需空间不是特别大时还是在栈上进行空间的分配。

4.2 Zero GC

Zero GC 能够避免 gc 带来的扫描、STW 等，具有一定的性能的收益。

当前 zero gc 的处理，主要包含2种：

无 gc，通过 mmap 或者 cgo.malloc 分配空间，绕过 Go 的内存分配机制
避免或者减少 gc，通过 []byte 等避免因为指针导致的扫描、stw。bigCache 的实现即为此。

在之前的一些开发中，我们使用了大量的基于 0 gc 的库，比如 fastcache 等。也对一些常用函数和机制，如 strings.split 也进行了 0 gc 的优化，其实现如下：

type StringSplitter struct {
    Idx [8]int  // 存储splitter对应的位置信息
    src string
    cnt int
}

// Split 分割
func (s *StringSplitter) Split(str string, sep byte) bool {
    s.src = str
for i := 0; i < len(str); i++ {
if str[i] == sep {
            s.Idx[s.cnt] = i
            s.cnt++

// 超过Idx数据长度则返回空
if int(s.cnt) >= len(s.Idx) {
return false
            }
        }
    }

return true
}

// At 获得第i个节点数据
func (s *StringSplitter) At(idx int) string {
// 没有分割，则返回全量数据
if s.cnt == 0 {
return s.src
    }

if idx == 0 {
return s.src[0:s.Idx[idx]]
    }

    cnt := s.cnt
if idx >= cnt {
return s.src[s.Idx[cnt-1]+1:]
    }

return s.src[s.Idx[idx-1]+1 : s.Idx[idx]]
}

与常规 strings.split 对比如下，其性能有近4倍左右提升。

➜  test go test --bench='Split' -run=none -benchmem
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: gotest666/test
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkQSplitRaw-12       13455728            76.43 ns/op       64 B/op          1 allocs/op
BenchmarkQSplit-12          59633916            20.08 ns/op        0 B/op          0 allocs/op
PASS

4.3 GC 的优化

gc 优化相关，主要涉及 GOGC、GOMEMLIMIT。可以通过调整 GOMEMLIMIT 和 GOGC，降低 GC 频率。参见：GOMEMLIMIT。https://weaviate.io/blog/gomemlimit-a-game-changer-for-high-memory-applications

需要注意，此机制只在1.20以上版本生效。

4.4 逃逸

对于一些比较复杂操作，Go 在编译器会在编译期间将相关变量逃逸至堆上。目前可能导致逃逸的机制包含：

函数返回了指针；
栈空间超过了 os 的限制8M；
闭包；
动态类型，如 interface 函数。

目前逃逸分析，可采用 -gcflags="-m -l" 进行查看，如下:

type test1 struct {
    a int32
    b int
    c int32
}

type test2 struct {
    a int32
    c int32
    b int
}

func getData() *int {
    a := 10
return &a
}

func main() {
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(test1{}))
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(test2{}))
    getData()
}
➜  gotest666 go build -gcflags="-m -l" main.go
# command-line-arguments
./main.go:20:6: can inline getData
./main.go:26:13: inlining call to fmt.Println
./main.go:27:13: inlining call to fmt.Println
./main.go:28:9: inlining call to getData
./main.go:21:2: moved to heap: a        // 返回指针导致逃逸
./main.go:26:13: ... argument does not escape
./main.go:26:27: unsafe.Sizeof(test1{}) escapes to heap // 动态类型导致逃逸
./main.go:27:13: ... argument does not escape
./main.go:27:27: unsafe.Sizeof(test2{}) escapes to heap // 动态类型导致逃逸

在日常业务处理过程中，建议尽量避免逃逸到堆上的情况。

4.5 数据的对齐

Go 中同样存在数据对齐，适当的布局调整，能够节省大量的空间，具体如下：

type test1 struct {
    a int32
    b int
    c int32
}

type test2 struct {
    a int32
    c int32
    b int
}

func main() {
    fmt.Println(unsafe.Alignof(test1{}))
    fmt.Println(unsafe.Alignof(test2{}))
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(test1{}))
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(test2{}))
}
➜  gotest666 go run main.go
8
8
24
16

4.6 空间预分配

空间预分配，可以避免大量不必要的空间分配、拷贝，目前 slice、map、strings.Builder、byte.Builder 等都提供了预分配机制。

以 map 为例，测试结果如下：

func BenchmarkConcurrentMapAlloc(b *testing.B) {
    m := map[int]int{}
    b.ResetTimer()
for i := 0; i < b.N; i++ {
        m[i] = i
    }
}

func BenchmarkConcurrentMapPreAlloc(b *testing.B) {
    m := make(map[int]int, b.N)
    b.ResetTimer()
for i := 0; i < b.N; i++ {
        m[i] = i
    }
}
➜  test go test --bench='Alloc' -run=none -benchmem
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: gotest666/test
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkConcurrentMapAlloc-12           6027334           186.0 ns/op        60 B/op          0 allocs/op
BenchmarkConcurrentMapPreAlloc-12       15499568            89.68 ns/op        0 B/op          0 allocs/op
PASS

预分配能够极大提升，相关性能，建议在使用时都进行空间的预分配。

05、并发编程

5.1 锁

Golang 中 mutex 定义位于 mutex.go，其定义如下：

type Mutex struct {
    state int32 // 状态字，标识锁是否被锁定、是否starving等
    sema  uint32    // 信号量
}

Golang 的读写锁基于 mutex，其定义位于 rwmutex.go, 其定义如下：

type RWMutex struct {
    w           Mutex  // 用于阻塞写
    writerSem   uint32 // 写信号量，用于实现写阻塞队列
    readerSem   uint32 // 读信号量，用于实现读阻塞队列
    readerCount int32  // 标识当前读操作的个数
    readerWait  int32  // 标识排在写操作前读操作的个数，防止写操作被饿死
}

RWMutex 基于 Mutex 实现，在加写锁上，RWMutex 性能略差于 Mutex。但在读操作较多情况下，RWMutex 性能是优于 Mutex 的，因为 RWMutex 对于读的操作只是通过 readerCount 计数进行，其相关处理位于 rwmutex.go，如下：

func (rw *RWMutex) RLock() {
if race.Enabled {
        _ = rw.w.state
        race.Disable()
    }
if rw.readerCount.Add(1) < 0 {  // readCount < 0，表示有写操作正在进行
        runtime_SemacquireRWMutexR(&rw.readerSem, false, 0)
    }
if race.Enabled {
        race.Enable()
        race.Acquire(unsafe.Pointer(&rw.readerSem))
    }
}

func (rw *RWMutex) Lock() {
if race.Enabled {
        _ = rw.w.state
        race.Disable()
    }

    rw.w.Lock()                                                                         // 加写锁
    r := rw.readerCount.Add(-rwmutexMaxReaders) + rwmutexMaxReaders // 统计当前读操作的个数，
if r != 0 && rw.readerWait.Add(r) != 0 {                                                // 并等待读操作
        runtime_SemacquireRWMutex(&rw.writerSem, false, 0)
    }
if race.Enabled {
        race.Enable()
        race.Acquire(unsafe.Pointer(&rw.readerSem))
        race.Acquire(unsafe.Pointer(&rw.writerSem))
    }
}

按照读写比例的不同，进行了如下测试：

var mut sync.Mutex
var rwMut sync.RWMutex
var t int

const cost = time.Microsecond

func WRead() {
    mut.Lock()
    _ = t
    time.Sleep(cost)
    mut.Unlock()
}

func WWrite() {
    mut.Lock()
    t++
    time.Sleep(cost)
    mut.Unlock()
}

func RWRead() {
    rwMut.RLock()
    _ = t
    time.Sleep(cost)
    rwMut.RUnlock()
}

func RWWrite() {
    rwMut.Lock()
    t++
    time.Sleep(cost)
    rwMut.Unlock()
}

func benchmark(b *testing.B, readFunc, writeFunc func(), read, write int) {
    b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
for pb.Next() {
var wg sync.WaitGroup
for k := 0; k < read*100; k++ {
                wg.Add(1)
go func() {
                    readFunc()
                    wg.Done()
                }()
            }
for k := 0; k < write*100; k++ {
                wg.Add(1)
go func() {
                    writeFunc()
                    wg.Done()
                }()
            }
            wg.Wait()
        }
    })
}

func BenchmarkReadMore(b *testing.B)         { benchmark(b, WRead, WWrite, 9, 1) }
func BenchmarkReadMoreRW(b *testing.B)       { benchmark(b, RWRead, RWWrite, 9, 1) }
func BenchmarkWriteMore(b *testing.B)        { benchmark(b, WRead, WWrite, 1, 9) }
func BenchmarkWriteMoreRW(b *testing.B)      { benchmark(b, RWRead, RWWrite, 1, 9) }
func BenchmarkReadWriteEqual(b *testing.B)   { benchmark(b, WRead, WWrite, 5, 5) }
func BenchmarkReadWriteEqualRW(b *testing.B) { benchmark(b, RWRead, RWWrite, 5, 5) }
➜  test go test --bench='Read|Write' -run=none -benchmem
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: gotest666/test
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkReadMore-12                     207       5713542 ns/op      114190 B/op       2086 allocs/op
BenchmarkReadMoreRW-12                  1237        904307 ns/op      104683 B/op       2007 allocs/op
BenchmarkWriteMore-12                    211       5799927 ns/op      110360 B/op       2067 allocs/op
BenchmarkWriteMoreRW-12                  222       5490282 ns/op      110666 B/op       2070 allocs/op
BenchmarkReadWriteEqual-12               213       5752311 ns/op      111017 B/op       2065 allocs/op
BenchmarkReadWriteEqualRW-12             386       3088603 ns/op      106810 B/op       2030 allocs/op

在读写比例为9:1时，RWMute 性能约为 Mutex 的6倍

06、其他

需要注意：语言层面只能解决单点的性能问题，良好的架构设计才能从全局解决问题。本文所有 benchmark、源码都是基于1.18。

-End-

原创作者｜张玉新

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原始发表：2024-01-03，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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