初探Golang內(nèi)聯(lián)

開篇

今天我們來聊聊 Golang 中的內(nèi)聯(lián)。

我們知道，函數(shù)調(diào)用本身是存在成本的。如果把一個實際調(diào)用的函數(shù)產(chǎn)生的指令，直接插入到的位置，來替換對應的函數(shù)調(diào)用指令。就可以消除掉這部分性能損耗。但同時也要注意，我們需要維護各個模塊的可讀性，需要保證高內(nèi)聚，低耦合，不可能把所有邏輯合到一個函數(shù)，這樣可讀性大大降低。

那么，既然在代碼層面做不太好，還有沒有別的招呢？

內(nèi)聯(lián)就是來做這件事的。下面我們一起來看一下。

內(nèi)聯(lián)

所謂內(nèi)聯(lián)，指的是編譯期間，直接將調(diào)用函數(shù)的地方替換為函數(shù)的實現(xiàn)，它可以減少函數(shù)調(diào)用的開銷以提高程序的性能。內(nèi)聯(lián)函數(shù)是直接復制“鑲嵌”到主函數(shù)中去的，就是將內(nèi)聯(lián)函數(shù)的代碼直接放在內(nèi)聯(lián)函數(shù)的位置上，

這與一般函數(shù)不同，主函數(shù)在調(diào)用一般函數(shù)的時候，是指令跳轉(zhuǎn)到被調(diào)用函數(shù)的入口地址，執(zhí)行完被調(diào)用函數(shù)后，指令再跳轉(zhuǎn)回主函數(shù)上繼續(xù)執(zhí)行后面的代碼；而由于內(nèi)聯(lián)函數(shù)是將函數(shù)的代碼直接放在了函數(shù)的位置上，所以沒有指令跳轉(zhuǎn)，指令按順序執(zhí)行。Go程序編譯時，默認將進行內(nèi)聯(lián)優(yōu)化。

當然，內(nèi)聯(lián)也并不是沒有代價，這本質(zhì)是一種以空間換時間的優(yōu)化方法，其帶來的優(yōu)點是使CPU需要執(zhí)行的指令數(shù)變少了，不需要根據(jù)地址跳轉(zhuǎn)的過程了，不用壓棧和出棧的過程了，我們把可以復用的程序指令在調(diào)用它的地方完全展開了。如果一個函數(shù)在很多地方都被調(diào)用了，那么就會展開很多次，整個程序占用的空間就會變大了。

需要注意，內(nèi)聯(lián)也是有門檻的，并不是隨便一個函數(shù)調(diào)用都可以原地替換。Golang 編譯器內(nèi)部會有一套自己的判斷規(guī)則，判斷一次函數(shù)調(diào)用能否被內(nèi)聯(lián)，后面的章節(jié)我們會提到。這也是為什么我們會說：

Inlining is the act of combining smaller functions into their respective callers.

這個 small 的程度很關(guān)鍵。

簡單小結(jié)一下，內(nèi)聯(lián)帶來的好處有兩個：

解除函數(shù)調(diào)用的開銷，以空間換時間；

支持編譯器更有效地應用其他優(yōu)化策略。

函數(shù)調(diào)用開銷

一個goroutine會有一個單獨的棧，棧又會包含多個棧幀，棧幀是函數(shù)調(diào)用時在棧上為函數(shù)所分配的區(qū)域。函數(shù)調(diào)用存在一些固定開銷：

創(chuàng)建棧幀；

讀寫寄存器；

棧溢出檢測。

內(nèi)聯(lián)什么時候最有效

函數(shù)執(zhí)行的開銷 vs 函數(shù)調(diào)用的開銷。這兩個開銷的比值會很大程度上決定【內(nèi)聯(lián)】的效果。

內(nèi)聯(lián)其實就是把函數(shù)調(diào)用這份固定開銷給消除了，所以尤其對于函數(shù)體極其簡單的函數(shù)有效果。如果你的函數(shù)執(zhí)行了一系列復雜邏輯，開銷遠超【函數(shù)調(diào)用】本身，這里的優(yōu)化就微不足道了。

內(nèi)聯(lián)雖然可以減少函數(shù)調(diào)用的開銷，但是也可能因為存在重復代碼，從而導致 CPU 緩存命中率降低，所以并不能盲目追求過度的內(nèi)聯(lián)，需要結(jié)合 profile 結(jié)果來具體分析。

Golang 編譯器對內(nèi)聯(lián)的要求

參考官方 wiki：github.com/golang/go/w…[1]

想要內(nèi)聯(lián)，方法本身必須滿足以下條件：

函數(shù)足夠簡單，當解析AST時，Go申請了80個節(jié)點作為內(nèi)聯(lián)的預算。每個節(jié)點都會消耗一個預算。函數(shù)的開銷不能超過這個預算；

不能包含閉包，defer，recover，select；

不能以 go:noinline 或 go:unitptrescapes 開頭；

必須有函數(shù)體；

其他等復雜要求，詳細可見src/cmd/compile/internal/gc/inl.go相關(guān)內(nèi)容。我們可以使用 gcflags 參數(shù)來判斷能不能內(nèi)聯(lián)。

內(nèi)聯(lián)的實現(xiàn)原理建議大家看看這篇文章：gocompiler.shizhz.me/8.-golang-b…[2]

如何禁止內(nèi)聯(lián)

單個函數(shù)級別：在函數(shù)定義前一行添加//go:noinline；

全局編譯級別：可通過-gcflags="-l"選項全局禁用內(nèi)聯(lián)，與一個-l禁用內(nèi)聯(lián)相反，如果傳遞兩個或兩個以上的-l則會打開內(nèi)聯(lián)，并啟用更激進的內(nèi)聯(lián)策略。

gcflags

go build 時可以使用 -gcflags 指定編譯選項，-gcflags 參數(shù)的格式是：

-gcflags="pattern=arg list"

pattern 是選擇包的模式，arg list 是空格分割的編譯選項，如果編譯選項中含有空格，可以使用引號包起來。

如：-gcflags="all=-N -l" 代表的是表示主模塊和它所有的依賴都禁用【編譯器優(yōu)化】和【內(nèi)聯(lián)】。更多編譯選項參照 go tool compile --help

Use -gcflags -m to observe the result of escape analysis and inlining decisions for the gc toolchain.

使用 go build 編譯時，我們可以使用參數(shù)-gflags="-m"運行，可顯示被內(nèi)聯(lián)的函數(shù)，使用運行參數(shù)-gflags="-m -m"可以看到原因。類似：

./main.go:14:6:cannotinlinexxx:unhandledopXXX

/ins.go:9:6:cannotinlinexxx:functiontoocomplex:cost104exceedsbudget80

我們可以用下面的命令分析變量是否逃逸：

gorun-gcflags'-m-l'main.go

-m 其實是打印優(yōu)化策略的語義，實際上最多總共可以用 4 個 -m，但是信息量較大，一般用 1 個就可以了；

-l 會禁用函數(shù)內(nèi)聯(lián)，在這里禁用掉內(nèi)聯(lián)能更好的觀察逃逸情況，減少干擾

內(nèi)聯(lián)后堆棧信息還對不對

內(nèi)聯(lián)會將函數(shù)調(diào)用的過程抹掉，這會引入一個新的問題：代碼的堆棧信息還能否保證。其實這一點不用擔心，Golang 內(nèi)部會為每個存在內(nèi)聯(lián)優(yōu)化的 goroutine 維持一個內(nèi)聯(lián)樹（inlining tree），該樹可通過 -gcflags="-d pctab=pctoinline" 命令查看，Go在生成的代碼中映射了內(nèi)聯(lián)函數(shù)。并且，也映射了行號。這張表被嵌入到了二進制文件中，所以在運行時可以得到準確的堆棧信息。

審核編輯：湯梓紅