Go1.13 defer 的性能是如何提高的?

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go1.13 defer

最近 Go1.13 终于发布了,其中一个值得关注的特性就是 defer 在大部分的场景下性能提升了30%,但是官方并没有具体写是怎么提升的,这让大家非常的疑惑。而我因为之前写过《深入理解 Go defer》《Go defer 会有性能损耗,尽量不要用?》 这类文章,因此我挺感兴趣它是做了什么改变才能得到这样子的结果,所以今天和大家一起探索其中奥妙。

原文地址:Go1.13 defer 的性能是如何提高的?

一、测试

Go1.12

$ go test -bench=. -benchmem -run=none
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: github.com/EDDYCJY/awesomeDefer
BenchmarkDoDefer-4          20000000            91.4 ns/op          48 B/op           1 allocs/op
BenchmarkDoNotDefer-4       30000000            41.6 ns/op          48 B/op           1 allocs/op
PASS
ok      github.com/EDDYCJY/awesomeDefer    3.234s

Go1.13

$ go test -bench=. -benchmem -run=none
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: github.com/EDDYCJY/awesomeDefer
BenchmarkDoDefer-4          15986062            74.7 ns/op          48 B/op           1 allocs/op
BenchmarkDoNotDefer-4       29231842            40.3 ns/op          48 B/op           1 allocs/op
PASS
ok      github.com/EDDYCJY/awesomeDefer    3.444s

在开场,我先以不标准的测试基准验证了先前的测试用例,确确实实在这两个版本中,defer 的性能得到了提高,但是看上去似乎不是百分百提高 30 %。

二、看一下

之前(Go1.12)

    0x0070 00112 (main.go:6)    CALL    runtime.deferproc(SB)
    0x0075 00117 (main.go:6)    TESTL    AX, AX
    0x0077 00119 (main.go:6)    JNE    137
    0x0079 00121 (main.go:7)    XCHGL    AX, AX
    0x007a 00122 (main.go:7)    CALL    runtime.deferreturn(SB)
    0x007f 00127 (main.go:7)    MOVQ    56(SP), BP

现在(Go1.13)

    0x006e 00110 (main.go:4)    MOVQ    AX, (SP)
    0x0072 00114 (main.go:4)    CALL    runtime.deferprocStack(SB)
    0x0077 00119 (main.go:4)    TESTL    AX, AX
    0x0079 00121 (main.go:4)    JNE    139
    0x007b 00123 (main.go:7)    XCHGL    AX, AX
    0x007c 00124 (main.go:7)    CALL    runtime.deferreturn(SB)
    0x0081 00129 (main.go:7)    MOVQ    112(SP), BP

从汇编的角度来看,像是 runtime.deferproc 改成了 runtime.deferprocStack 调用,难道是做了什么优化,我们抱着疑问继续看下去。

三、观察源码

_defer

type _defer struct {
    siz     int32
    siz     int32 // includes both arguments and results
    started bool
    heap    bool
    sp      uintptr // sp at time of defer
    pc      uintptr
    fn      *funcval
    ...

相较于以前的版本,最小单元的 _defer 结构体主要是新增了 heap 字段,用于标识这个 _defer 是在堆上,还是在栈上进行分配,其余字段并没有明确变更,那我们可以把聚焦点放在 defer 的堆栈分配上了,看看是做了什么事。

deferprocStack

func deferprocStack(d *_defer) {
    gp := getg()
    if gp.m.curg != gp {
        throw("defer on system stack")
    }
    
    d.started = false
    d.heap = false
    d.sp = getcallersp()
    d.pc = getcallerpc()

    *(*uintptr)(unsafe.Pointer(&d._panic)) = 0
    *(*uintptr)(unsafe.Pointer(&d.link)) = uintptr(unsafe.Pointer(gp._defer))
    *(*uintptr)(unsafe.Pointer(&gp._defer)) = uintptr(unsafe.Pointer(d))

    return0()
}

这一块代码挺常规的,主要是获取调用 defer 函数的函数栈指针、传入函数的参数具体地址以及PC(程序计数器),这块在前文 《深入理解 Go defer》 有详细介绍过,这里就不再赘述了。

那这个 deferprocStack 特殊在哪呢,我们可以看到它把 d.heap 设置为了 false,也就是代表 deferprocStack 方法是针对将 _defer 分配在栈上的应用场景的。

deferproc

那么问题来了,它又在哪里处理分配到堆上的应用场景呢?

func newdefer(siz int32) *_defer {
    ...
    d.heap = true
    d.link = gp._defer
    gp._defer = d
    return d
}

那么 newdefer 是在哪里调用的呢,如下:

func deferproc(siz int32, fn *funcval) { // arguments of fn follow fn
    ...
    sp := getcallersp()
    argp := uintptr(unsafe.Pointer(&fn)) + unsafe.Sizeof(fn)
    callerpc := getcallerpc()

    d := newdefer(siz)
    ...
}

非常明确,先前的版本中调用的 deferproc 方法,现在被用于对应分配到堆上的场景了。

小结

  • 第一点:可以确定的是 deferproc 并没有被去掉,而是流程被优化了。
  • 第二点:编译器会根据应用场景去选择使用 deferproc 还是 deferprocStack 方法,他们分别是针对分配在堆上和栈上的使用场景。

四、编译器如何选择

esc

// src/cmd/compile/internal/gc/esc.go
case ODEFER:
    if e.loopdepth == 1 { // top level
        n.Esc = EscNever // force stack allocation of defer record (see ssa.go)
        break
    }

ssa

// src/cmd/compile/internal/gc/ssa.go
case ODEFER:
    d := callDefer
    if n.Esc == EscNever {
        d = callDeferStack
    }
    s.call(n.Left, d)

小结

这块结合来看,核心就是当 e.loopdepth == 1 时,会将逃逸分析结果 n.Esc 设置为 EscNever,也就是将 _defer 分配到栈上,那这个 e.loopdepth 到底又是何方神圣呢,我们再详细看看代码,如下:

// src/cmd/compile/internal/gc/esc.go
type NodeEscState struct {
    Curfn             *Node
    Flowsrc           []EscStep 
    Retval            Nodes    
    Loopdepth         int32  
    Level             Level
    Walkgen           uint32
    Maxextraloopdepth int32
}

这里重点查看 Loopdepth 字段,目前它共有三个值标识,分别是:

  • -1:全局。
  • 0:返回变量。
  • 1:顶级函数,又或是内部函数的不断增长值。

这个读起来有点绕,结合我们上述 e.loopdepth == 1 的表述来看,也就是当 defer func 是顶级函数时,将会分配到栈上。但是若在 defer func 外层出现显式的迭代循环,又或是出现隐式迭代,将会分配到堆上。其实深层表示的还是迭代深度的意思,我们可以来证实一下刚刚说的方向,显式迭代的代码如下:

func main() {
    for p := 0; p < 10; p++ {
        defer func() {
            for i := 0; i < 20; i++ {
                log.Println("EDDYCJY")
            }
        }()
    }
}

查看汇编情况:

$ go tool compile -S main.go
"".main STEXT size=122 args=0x0 locals=0x20
    0x0000 00000 (main.go:15)    TEXT    "".main(SB), ABIInternal, $32-0
    ...
    0x0048 00072 (main.go:17)    CALL    runtime.deferproc(SB)
    0x004d 00077 (main.go:17)    TESTL    AX, AX
    0x004f 00079 (main.go:17)    JNE    83
    0x0051 00081 (main.go:17)    JMP    33
    0x0053 00083 (main.go:17)    XCHGL    AX, AX
    0x0054 00084 (main.go:17)    CALL    runtime.deferreturn(SB)
    ...

显然,最终 defer 调用的是 runtime.deferproc 方法,也就是分配到堆上了,没毛病。而隐式迭代的话,你可以借助 goto 语句去实现这个功能,再自己验证一遍,这里就不再赘述了。

总结

从分析的结果上来看,官方说明的 Go1.13 defer 性能提高 30%,主要来源于其延迟对象的堆栈分配规则的改变,措施是由编译器通过对 deferfor-loop 迭代深度进行分析,如果 loopdepth 为 1,则设置逃逸分析的结果,将分配到栈上,否则分配到堆上。

的确,我个人觉得对大部分的使用场景来讲,是优化了不少,也解决了一些人吐槽 defer 性能 “差” 的问题。另外,我想从 Go1.13 起,你也需要稍微了解一下它这块的机制,别随随便便就来个狂野版嵌套迭代 defer,可能没法效能最大化。

如果你还想了解更多细节,可以看看 defer 这块的的提交内容,官方的测试用例也包含在里面。

阅读 2.3k更新于 9月10日
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