来了!Go的2个黑魔法技巧
2022-8-19 08:54:49 Author: Go语言中文网(查看原文) 阅读量:14 收藏

导语 | 最近,在写Go代码的时候,我发现了其特别有意思的两个奇技淫巧或者黑魔法,若使用得好可以提升性能,用得不好就会招来恶魔,嘿嘿,于是写下这篇文章和大家分享一下。

一、魔法:调用runtime中的私有函数

按照Go的编译约定,代码包内以小写字母开头的函数、变量是私有的:

package test
// 私有func abs() {}
// 公共func Abs() {}

对于test包中abs函数只能在包内调用,而Abs函数却可以在其它包中导入后使用。

私有变量、方法的意义在于封装:控制内部数据、保证外部交互的一致性。这样既能促进系统运行的可靠性,也能减少使用者的信息负载。

这样的规定对设计、封装良好的包是友好的,但并不是每个人都有这样的能力,另外对于一些特殊的函数,如:runtime中的memmove函数,在有些场景下,确实是需要的。

因此Go在程序链接阶段给开发者打开了一扇窗,即可以通过go:linkname 指令来链接包内的私有函数。

(一)memmove

memmove

(https://github.com/golang/go/blob/1724077b789ad92972ab1ac03788389645306cbb/src/runtime/stubs.go#L111) 

如下:

func memmove(to, from unsafe.Pointer, n uintptr)

memmove作为runtime中的私有函数,用于任意数据之间的内存拷贝,无视类型信息,直接操作内存,这样的操作在Go中虽然是不提倡的,但是用好了,却也是一把利刃。

新建一个go文件,如runtime.go,并加上如下内容:

//go:noescape//go:linkname memmove runtime.memmove//goland:noinspection GoUnusedParameterfunc memmove(to unsafe.Pointer, from unsafe.Pointer, n uintptr)

把视角放到go:linkname指令上,该指令接受两个参数

  • memmove:当前函数名称;

  • runtime.memmove:对应链接的函数的路径,报名+函数名。

这样,编译器在做链接时就会将当前的memmove函数链接到runtime中的memmove函数, 我们就能使用该函数了。

在平常写代码的时候,我们经常性地需要拷贝字节切片、字符串之间的数据。比如将数据从切片1拷贝到切片2,使用memmove代码如下:

// runtime.gotype GoSlice struct {    Ptr unsafe.Pointer    Len int    Cap int}
// runtime_test.gofunc Test_memmove(t *testing.T) { src := []byte{1, 2, 3, 4, 5, 6} dest := make([]byte, 10, 10)
spew.Dump(src) spew.Dump(dest)
srcp := (*GoSlice)(unsafe.Pointer(&src)) destp := (*GoSlice)(unsafe.Pointer(&dest))
memmove(destp.Ptr, srcp.Ptr, unsafe.Sizeof(byte(0))*6)
spew.Dump(src) spew.Dump(dest)}

字节切片([]byte)在内存中的形态如GoSlice结构体来所示,Len、Cap分别表示切片长度、容量,字段Ptr指向真实的字节数据。

将两个切片的数据指针以及拷贝长度作为参数传入memmove,数据就能从src拷贝到dest。运行结果如下:

=== RUN   Test_memmove# 拷贝之前([]uint8) (len=6 cap=6) { 00000000  01 02 03 04 05 06                                 |......|}([]uint8) (len=10 cap=10) { 00000000  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00                    |..........|}# 拷贝之后([]uint8) (len=6 cap=6) { 00000000  01 02 03 04 05 06                                 |......|}([]uint8) (len=10 cap=10) { 00000000  01 02 03 04 05 06 00 00  00 00                    |..........|

显然,对于切片之间的数据拷贝,标准库提供的copy函数要更加方便一些:

func Test_copy(t *testing.T) {src := []byte{1, 2, 3, 4, 5, 6}dest := make([]byte, 10, 10)
spew.Dump(src) spew.Dump(dest)
copy(dest, src)
spew.Dump(src) spew.Dump(dest)}

这样也能达到一样的效果,memmove更加适合字符串(string)和数组切片之间的数据拷贝场景,如下:

// runtime.gotype GoString struct {    Ptr unsafe.Pointer    Len int}
// runtime_test.gofunc Test_memmove(t *testing.T) { str := "pedro" // 注意:这里的len不能为0,否则数据没有分配,就无法复制 data := make([]byte, 10, 10) spew.Dump(str) spew.Dump(data)
memmove((*GoSlice)(unsafe.Pointer(&data)).Ptr, (*GoString)(unsafe.Pointer(&str)).Ptr, unsafe.Sizeof(byte(0))*5) spew.Dump(str) spew.Dump(data)}

类似地,GoString是字符串在内存中的表达形态,通过memmove函数就能快速的将字符数据从字符串拷贝到切片,反之亦然,运行结果如下:

# 拷贝之前(string) (len=5) "pedro"([]uint8) (len=10 cap=10) { 00000000  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00                    |..........|}# 拷贝之后(string) (len=5) "pedro"([]uint8) (len=10 cap=10) { 00000000  70 65 64 72 6f 00 00 00  00 00                    |pedro.....|}

(二)growslice

切片是Go中最常用的数据结构之一,对于切片扩容,Go只提供了append函数来隐式的扩容,但内部是通过调用runtime中的growslice(https://github.com/golang/go/blob/1724077b789ad92972ab1ac03788389645306cbb/src/runtime/slice.go#L166)函数来实现的:

func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice

growslice函数接受3个参数

  • et:切片容器中的数据类型,如int,_type可以表示Go中的任意类型;

  • old:旧切片;

  • cap:扩容后的切片容量。

扩容成功后,返回新的切片。

同样地,使用go:linkname来链接runtime中的growslice函数,如下:

// runtime.gotype GoType struct {    Size       uintptr    PtrData    uintptr    Hash       uint32    Flags      uint8    Align      uint8    FieldAlign uint8    KindFlags  uint8    Traits     unsafe.Pointer    GCData     *byte    Str        int32    PtrToSelf  int32}
// GoEface 本质是 interfacetype GoEface struct { Type *GoType Value unsafe.Pointer}
//go:linkname growslice runtime.growslice//goland:noinspection GoUnusedParameterfunc growslice(et *GoType, old GoSlice, cap int) GoSlice

growslice函数的第一个参数et实际是Go对所有类型的一个抽象数据结构——GoType

这里引入了Go语言实现机制中的两个重要数据结构:

  • GoEface:empty interface,即interface{},空接口;

  • GoType:Go类型定义数据结构,可用于表示任意类型。

关于GoEface、GoIface、GoType、GoItab都是Go语言实现的核心数据结构,这里的内容很多,感兴趣的可以参考这里 。

这样,我们就能通过调用growslice函数来对切片进行手动扩容了,如下:

// runtime.gofunc UnpackType(t reflect.Type) *GoType {    return (*GoType)((*GoEface)(unsafe.Pointer(&t)).Value)}
// runtime_test.gofunc Test_growslice(t *testing.T) { assert := assert.New(t)
var typeByte = UnpackType(reflect.TypeOf(byte(0)))
spew.Dump(typeByte)
dest := make([]byte, 0, 10)
assert.Equal(len(dest), 0) assert.Equal(cap(dest), 10)
ds := (*GoSlice)(unsafe.Pointer(&dest)) *ds = growslice(typeByte, *ds, 100)
assert.Equal(len(dest), 0) assert.Equal(cap(dest), 112)}

由于growslice的参数et类型在runtime中不可见,我们重新定义了GoType来表示,并且通过反射的机制来拿到字节切片中的GoType,然后调用growslice完成扩容工作。

运行程序:

--- PASS: Test_growslice (0.00s)PASS

注意一个点,growslice传入的cap参数是100,但是最后的扩容结果却是112, 这个是因为growslice会做一个roundupsize处理,感兴趣的同学可以参考这里:

(https://draveness.me/golang/docs/part2-foundation/ch03-datastructure/golang-array-and-slice/) 

二、魔法:调用C/汇编函数

下面,我们再来看Go的另外一个更加有趣的黑魔法。

(一)cgo

通过cgo,我们可以很方便地在Go中调用C代码,如下:

/*#include <stdio.h>#include <unistd.h>
static void* Sbrk(int size) { void *r = sbrk(size); if(r == (void *)-1){ return NULL; } return r;}*/import "C"
import ( "fmt")
func main() { mem := C.Sbrk(C.int(100)) defer C.free(mem) fmt.Println(mem)}

运行程序,会得到如下输出:

0xba00000

cgo是Go与C之间的桥梁,让Go可以享受C语言强大的系统编程能力,比如这里的sbrk会直接向进程申请一段内存,而这段内存是不受Go GC的影响的,因此我们必须手动地释放(free)掉它。

在一些特殊场景,比如全局缓存,为了避免数据被GC掉而导致缓存失效,那么可以尝试这样使用。

当然,这还不够tricky,别忘了,C语言是可以直接内联汇编的,同样地,我们也可以在Go中内联汇编试试,如下:

/*#include <stdio.h>
static int Add(int i, int j){ int res = 0; __asm__ ("add %1, %2" : "=r" (res) : "r" (i), "0" (j) ); return res;}*/import "C"import ( "fmt")
func main() { r := C.Add(C.int(2022), C.int(18)) fmt.Println(r)}

运行程序,可以得到如下输出:

2040

cgo虽然给了我们一座桥梁,但付出的代价也不小,具体的缺点可以参考这里(https://cloud.tencent.com/developer/article/1650525)

(二)汇编

  • isspace

那么有没有一种方式可以回避掉cgo的缺点,答案自然是可以的。

这个方式其实很容易想到:不使用cgo,而是使用plan9,也就是Go支持的汇编语言

当然我们不是直接去写汇编,而是将C编译成汇编,然后再转化成plan9与.go代码一起编译。

编译的过程如下图所示:

而且C本身就是汇编的高级抽象,作为目前最强劲性能的存在,这种方式不仅回避了cgo的性能问题, 反而将程序性能提高了。过程如下:

首先,我们定义一个简单的C语言函数isspace(判断字符为空):

// ./inner/op.h#ifndef OP_H#define OP_H
char isspace(char ch);
// ./inner/op.c#include "op.h"
char isspace(char ch) { return ch == ' ' || ch == '\r' || ch == '\n' | ch == '\t';}

然后,使用clang将其编译为汇编(注意:是clang):

$ clang -mno-red-zone -fno-asynchronous-unwind-tables -fno-builtin -fno-exceptions \-fno-rtti -fno-stack-protector -nostdlib -O3 -msse4 -mavx -mno-avx2 -DUSE_AVX=1 \ -DUSE_AVX2=0 -S ./inner/*.c

编译成功后,会在inner文件夹下生成一个op.s汇编文件,大致如下:

    .section    __TEXT,__text,regular,pure_instructions    .build_version macos, 11, 0    .globl  _isspace                        ## -- Begin function isspace    .p2align    4, 0x90_isspace:                               ## @isspace## %bb.0:    pushq   %rbp    movq    %rsp, %rbp    movb    $1, %al    cmpb    $13, %dil    je  LBB0_3

clang默认生成的汇编是AT&T格式的,这种汇编Go是无法编译的(gccgo 除外),因此这里有一步转换工作。

负责将AT&T汇编转化成plan9汇编,而二者之间的语法差异其实是比较大的,因此这里借助一个转换asm2asm工具来完成。

将asm2asm clone到本地,然后运行:

$ git clone https://github.com/chenzhuoyu/asm2asm$ ./tools/asm2asm.py ./op.s ./inner/op.s

执行后,会报错。原因在于,Go对于plan9汇编文件需要一个对应的.go声明文件来对应。

我们在./inner/op.h文件中定义了isspace函数,因此需要新建一个同名的op.go文件来声明这个函数:

//go:nosplit//go:noescape//goland:noinspection GoUnusedParameterfunc __isspace(ch byte) (ret byte)

然后再次运行asm2asm工具来生成汇编:

$ ./tools/asm2asm.py ./op.s ./inner/op.s
$ tree .
.|__ inner| |__ op.c| |__ op.h| |__ op.s|__ op.go|__ op.s|__ op_subr.go

asm2asm会生成两个文件:op.s和op_subr.go:

  • op.s:翻译而来的plan9汇编文件;

  • op_subr.go:函数调用辅助文件。

生成后,op.go中的__isspace函数就能顺利的链接上对应的汇编代码,并运行,如下:

func Test___isspace(t *testing.T) {    type args struct {        ch byte    }    tests := []struct {        name    string        args    args        wantRet byte    }{        {            name:    "false",            args:    args{ch: '0'},            wantRet: 0,        },        {            name:    "true",            args:    args{ch: '\n'},            wantRet: 1,        },    }    for _, tt := range tests {        t.Run(tt.name, func(t *testing.T) {            if gotRet := __isspace(tt.args.ch); gotRet != tt.wantRet {                t.Errorf("__isspace() = %v, want %v", gotRet, tt.wantRet)            }        })    }}
// output=== RUN Test___isspace=== RUN Test___isspace/false=== RUN Test___isspace/true--- PASS: Test___isspace (0.00s) --- PASS: Test___isspace/false (0.00s) --- PASS: Test___isspace/true (0.00s)PASS

__isspace顺利运行,并通过了单测。

  • u32toa_small

一个isspace函数有些简单,无法完全发挥出汇编的能力,下面我们来看一个稍微复杂一点的例子:将整数转化为字符串。

在Go中,整数转化为字符串的方式有多种,比如说:strconv.Itoa函数

这里,我选择用C来写一个简单的整数转字符串的函数:u32toa_small,然后将其编译为汇编代码供Go调用,并看看二者之间的性能差异。

u32toa_small的实现也比较简单,使用查表法(strconv.Itoa 使用的也是这种方法),如下:

#include "op.h"
static const char Digits[200] = { '0', '0', '0', '1', '0', '2', '0', '3', '0', '4', '0', '5', '0', '6', '0', '7', '0', '8', '0', '9', '1', '0', '1', '1', '1', '2', '1', '3', '1', '4', '1', '5', '1', '6', '1', '7', '1', '8', '1', '9', '2', '0', '2', '1', '2', '2', '2', '3', '2', '4', '2', '5', '2', '6', '2', '7', '2', '8', '2', '9', '3', '0', '3', '1', '3', '2', '3', '3', '3', '4', '3', '5', '3', '6', '3', '7', '3', '8', '3', '9', '4', '0', '4', '1', '4', '2', '4', '3', '4', '4', '4', '5', '4', '6', '4', '7', '4', '8', '4', '9', '5', '0', '5', '1', '5', '2', '5', '3', '5', '4', '5', '5', '5', '6', '5', '7', '5', '8', '5', '9', '6', '0', '6', '1', '6', '2', '6', '3', '6', '4', '6', '5', '6', '6', '6', '7', '6', '8', '6', '9', '7', '0', '7', '1', '7', '2', '7', '3', '7', '4', '7', '5', '7', '6', '7', '7', '7', '8', '7', '9', '8', '0', '8', '1', '8', '2', '8', '3', '8', '4', '8', '5', '8', '6', '8', '7', '8', '8', '8', '9', '9', '0', '9', '1', '9', '2', '9', '3', '9', '4', '9', '5', '9', '6', '9', '7', '9', '8', '9', '9',};
// < 10000int u32toa_small(char *out, uint32_t val) { int n = 0; uint32_t d1 = (val / 100) << 1; uint32_t d2 = (val % 100) << 1;
/* 1000-th digit */ if (val >= 1000) { out[n++] = Digits[d1]; }
/* 100-th digit */ if (val >= 100) { out[n++] = Digits[d1 + 1]; }
/* 10-th digit */ if (val >= 10) { out[n++] = Digits[d2]; }
/* last digit */ out[n++] = Digits[d2 + 1]; return n;}

然后在op.go中加入对应的__u32toa_small函数:

// < 10000//go:nosplit//go:noescape//goland:noinspection GoUnusedParameterfunc __u32toa_small(out *byte, val uint32) (ret int)

使用clang重新编译op.c文件,并用asm2asm工具来生成对应的汇编代码(节选部分):

_u32toa_small:    BYTE $0x55  // pushq        %rbp    WORD $0x8948; BYTE $0xe5  // movq         %rsp, %rbp    MOVL SI, AX    IMUL3Q $1374389535, AX, AX    SHRQ $37, AX    LEAQ 0(AX)(AX*1), DX    WORD $0xc06b; BYTE $0x64  // imull        $100, %eax, %eax    MOVL SI, CX    SUBL AX, CX    ADDQ CX, CX    CMPL SI, $1000    JB LBB1_2    LONG $0x60058d48; WORD $0x0000; BYTE $0x00  // leaq         $96(%rip), %rax  /* _Digits(%rip) */    MOVB 0(DX)(AX*1), AX    MOVB AX, 0(DI)    MOVL $1, AX    JMP LBB1_3

然后在Go中调用该函数:

func Test___u32toa_small(t *testing.T) {    var buf [32]byte    type args struct {        out *byte        val uint32    }    tests := []struct {        name    string        args    args        wantRet int    }{        {            name: "9999",            args: args{                out: &amp;buf[0],                val: 9999,            },            wantRet: 4,        },        {            name: "1234",            args: args{                out: &amp;buf[0],                val: 1234,            },            wantRet: 4,        },    }    for _, tt := range tests {        t.Run(tt.name, func(t *testing.T) {            got := __u32toa_small(tt.args.out, tt.args.val)            assert.Equalf(t, tt.wantRet, got, "__u32toa_small(%v, %v)", tt.args.out, tt.args.val)            assert.Equalf(t, tt.name, string(buf[:tt.wantRet]), "ret string must equal name")        })    }}

测试成功,__u32toa_small函数不仅成功运行,而且通过了测试。

最后,我们来做一个性能跑分看看__u32toa_small和strconv.Itoa之间的性能差异:

func BenchmarkGoConv(b *testing.B) {    val := int(rand.Int31() % 10000)    b.ResetTimer()    for n := 0; n < b.N; n++ {        strconv.Itoa(val)    }}
func BenchmarkFastConv(b *testing.B) { var buf [32]byte val := uint32(rand.Int31() % 10000) b.ResetTimer() for n := 0; n < b.N; n++ { __u32toa_small(&amp;buf[0], val) }}

使用go test -bench运行这两个性能测试函数,结果如下:

BenchmarkGoConvBenchmarkGoConv-12      60740782            19.52 ns/op
BenchmarkFastConvBenchmarkFastConv-12 122945924 9.455 ns/op

从结果中,可以明显看出__u32toa_small优于Itoa,大概有一倍的提升。

总结

至此,Go的两个黑魔法技巧已经介绍完毕了,感兴趣的同学可以自己实践看看。

Go的黑魔法一定程度上都使用了unsafe的能力,这也是Go不提倡的,当然使用unsafe其实就和普通的C代码编写一样,因此也无需有太强的心理负担。

实际上,上述的两种方法都被sonic(https://github.com/bytedance/sonic)用在了生产环境上,而且带来的很大的性能提升,节约大量资源。

因此,当Go现有的标准库无法满足你的需求时,不要受到语言本身的限制,而是用虽然少见但有效的方式去解决它。

希望上面的两个黑魔法能带你对Go不一样的认识。

1.https://github.com/bytedance/sonic

2.https://juejin.cn/post/6974581261192921095

3.https://www.keil.com/support/man/docs/armclang_intro/armclang_intro_ddx1471430827125.htm

4.https://karthikkaranth.me/blog/calling-c-code-from-go/

5.https://chai2010.cn/advanced-go-programming-book/ch2-cgo/ch2-03-cgo-types.html

6.https://blog.csdn.net/lastsweetop/article/details/78830772

 作者简介

pedrogao 

腾讯后端工程师

腾讯后端工程师,平平凡凡小码农,普普通通打工人!


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文章来源: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAxMTA4Njc0OQ==&mid=2651453324&idx=1&sn=b96c721f56a91df7f7f481c90f2ae3d8&chksm=80bb297eb7cca0685830a786c1b8f23953545553fa32fa73f078e6b483f11f8ada49568f389b#rd
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