Go编译原理系列9（函数内联）

前言

在前一篇文章中分享了编译器优化的变量捕获部分，本文分享编译器优化的另一个内容—函数内联。函数内联是指将将较小的函数内容，直接放入到调用者函数中，从而减少函数调用的开销

函数内联概述

我们知道每一个高级编程语言的函数调用，成本都是在与需要为它分配栈内存来存储参数、返回值、局部变量等等，Go的函数调用的成本在于参数与返回值栈复制、较小的栈寄存器开销以及函数序言部分的检查栈扩容（Go语言中的栈是可以动态扩容的，因为Go在分配栈内存不是逐渐增加的，而是一次性分配，这样是为了避免访问越界，它会一次性分配，当检查到分配的栈内存不够用时，它会扩容一个足够大的栈空间，并将原来栈中的内容拷贝过来）

下边写一段代码，通过Go的基准测试来测一下函数内联带来的效率提升

import "testing"

//go:noinline //禁用内联。如果要开启内联，将该行注释去掉即可
func max(a, b int) int {
    if a > b {
        return a
    }

    return b
}

var Result int
func BenchmarkMax(b *testing.B)  {
    var r int
    for i:=0; i< b.N; i++ {
        r = max(-1, i)
    }
    Result = r
}

在编译的过程中，Go的编译器其实会计算函数内联花费的成本，所以只有简单的函数，才会触发函数内联。在后边函数内联的源码实现中，我们可以看到下边这些情况不会被内联：

• 递归函数
• 函数前有如下注释的：go:noinline、go:norace、go:nocheckptr、go:uintptrescapes等
• 没有函数体
• 函数声明的抽象语法树中节点数大于5000（我的Go版本是1.16.6）（也就是函数内部语句太多的情况，也不会被内联）
• 函数中包含闭包（OCLOSURE）、range（ORANGE）、select（OSELECT）、go（OGO）、defer（ODEFER）、type（ODCLTYPE）、返回值是函数（ORETJMP）的，都不会内联

我们也可以构建或编译的时候，通过参数去控制它是否可以内联。如果希望程序中所有的函数都不执行内联操作

go build -gcflags="-l" xxx.go
go tool compile -l xxx.go

同样我们在编译时，也可以查看哪些函数内联了，哪些函数没内联，以及原因是什么

go tool compile -m=2 xxx.go

看一个例子

package main

func test1(a, b int) int {
    return a+b
}

func step(n int) int {
    if n < 2 {
        return n
    }
    return step(n-1) + step(n-2)
}

func main()  {
    test1(1, 2)
    step(5)
}

可以看到test1这个函数是可以内联的，因为它的函数体很简单。step这个函数因为是递归函数，所以它不会进行内联

函数内联底层实现

这里边其实每一个函数调用链都很深，我这里不会一行一行的解释代码的含义，仅仅会将一些核心的方法拿出来介绍一下，感兴趣的小伙伴可以自己去调试一下(前边有发相关文章)（Go源码调试方法）

还是前边提到多次的Go编译入口文件，你可以在入口文件中找到这段代码

Go编译入口文件：src/cmd/compile/main.go -> gc.Main(archInit)

// Phase 5: Inlining
if Debug.l != 0 {
        // 查找可以内联的函数
        visitBottomUp(xtop, func(list []*Node, recursive bool) {
            numfns := numNonClosures(list)
            for _, n := range list {
                if !recursive || numfns > 1 {
                    caninl(n)
                } else {
                    ......
                }
                inlcalls(n)
            }
        })
    }

    for _, n := range xtop {
        if n.Op == ODCLFUNC {
            devirtualize(n)
        }
    }

下边就看一下每个方法都在做哪些事情

visitBottomUp

该方法有两个参数：

• xtop：前边已经见过它了，它存放的是每个声明语句的抽象语法树的根节点数组
• 第二个参数是一个函数（该函数也有两个参数，一个是满足是函数类型声明的抽象语法树根节点数组，一个是bool值，true表示是递归函数，false表示不是递归函数）

进入到visitBottomUp方法中，你会发现它主要是遍历xtop，并对每个抽象语法树的根节点调用了visit这个方法（仅针对是函数类型声明的抽象语法树）

func visitBottomUp(list []*Node, analyze func(list []*Node, recursive bool)) {
    var v bottomUpVisitor
    v.analyze = analyze
    v.nodeID = make(map[*Node]uint32)
    for _, n := range list {
        if n.Op == ODCLFUNC && !n.Func.IsHiddenClosure() { //是函数，并且不是闭包函数
            v.visit(n)
        }
    }
}

而visit方法的核心是调用了inspectList方法，通过inspectList对抽象语法树按照深度优先搜索进行遍历，并将每一个节点作为inspectList方法的第二个参数（是一个函数）的参数，比如验证这个函数里边是否有递归调用等（具体就是下边的switch case）

func (v *bottomUpVisitor) visit(n *Node) uint32 {
    if id := v.nodeID[n]; id > 0 {
        // already visited
        return id
    }

    ......
    v.stack = append(v.stack, n)

    inspectList(n.Nbody, func(n *Node) bool {
        switch n.Op {
        case ONAME:
            if n.Class() == PFUNC {
                ......
            }
        case ODOTMETH:
            fn := asNode(n.Type.Nname())
            ......
            }
        case OCALLPART:
            fn := asNode(callpartMethod(n).Type.Nname())
            ......
        case OCLOSURE:
            if m := v.visit(n.Func.Closure); m < min {
                min = m
            }
        }
        return true
    })
        v.analyze(block, recursive)
    }

    return min
}

后边通过调用visitBottomUp的第二个参数传递的方法，对抽象语法树进行内联的判断及内联操作，具体就是caninl和inlcalls这两个方法

caninl

该方法的作用就是验证是函数类型声明的抽象语法树是否可以内联

这个方法的实现很简单，首先是通过很多的if语句验证函数前边是否有像go:noinline等这种标记

func caninl(fn *Node) {
    if fn.Op != ODCLFUNC {
        Fatalf("caninl %v", fn)
    }
    if fn.Func.Nname == nil {
        Fatalf("caninl no nname %+v", fn)
    }

    var reason string // reason, if any, that the function was not inlined
    ......

    // If marked "go:noinline", don't inline
    if fn.Func.Pragma&Noinline != 0 {
        reason = "marked go:noinline"
        return
    }

    // If marked "go:norace" and -race compilation, don't inline.
    if flag_race && fn.Func.Pragma&Norace != 0 {
        reason = "marked go:norace with -race compilation"
        return
    }

    ......

    // If fn has no body (is defined outside of Go), cannot inline it.
    if fn.Nbody.Len() == 0 {
        reason = "no function body"
        return
    }

    visitor := hairyVisitor{
        budget:        inlineMaxBudget,
        extraCallCost: cc,
        usedLocals:    make(map[*Node]bool),
    }
    if visitor.visitList(fn.Nbody) {
        reason = visitor.reason
        return
    }
    if visitor.budget < 0 {
        reason = fmt.Sprintf("function too complex: cost %d exceeds budget %d", inlineMaxBudget-visitor.budget, inlineMaxBudget)
        return
    }

    n.Func.Inl = &Inline{
        Cost: inlineMaxBudget - visitor.budget,
        Dcl:  inlcopylist(pruneUnusedAutos(n.Name.Defn.Func.Dcl, &visitor)),
        Body: inlcopylist(fn.Nbody.Slice()),
    }
    ......
}

这里边还有一个主要的方法就是visitList，它是用来验证函数里边是否有我们上边提到的go、select、range等等这些语句。对于满足内联条件的，它会将改写该函数声明抽闲语法树的内联字段(Inl)

inlcalls

该方法中就是具体的内联操作，比如将函数的参数和返回值转换为调用者中的声明语句等。里边的调用和实现都比较复杂，这里不粘代码了，大家可自行去看。函数内联的核心方法都在如下文件中

src/cmd/compile/internal/gc/inl.go