Go 博客

Go 1.21 中的概要式引导优化

Michael Pratt
2023 年 9 月 5 日

2023 年初,Go 1.20 发布了概要式引导优化 (PGO) 的预览版 供用户测试。在解决预览版中的已知限制后,并通过社区反馈和贡献进行了一些改进,Go 1.21 中的 PGO 支持已准备好用于一般生产用途!有关完整文档,请参阅 概要式引导优化用户指南

下面,我们将演示如何使用 PGO 来提高应用程序的性能。在介绍这个例子之前,我们先了解一下什么是“概要式引导优化”。

在构建 Go 二进制文件时,Go 编译器会执行优化,以尝试生成性能最佳的二进制文件。例如,常量传播可以在编译时评估常量表达式,避免运行时评估成本。逃逸分析避免对局部作用域对象进行堆分配,避免 GC 开销。内联将简单函数的函数体复制到调用者中,通常可以在调用者中实现进一步优化(例如,额外的常量传播或更好的逃逸分析)。去虚拟化将对接口值的间接调用(其类型可以在静态情况下确定)转换为对具体方法的直接调用(这通常可以内联调用)。

Go 随着版本的发布不断改进优化,但这并非易事。一些优化是可调的,但编译器不能对所有优化都“调到 11”,因为过于激进的优化实际上会导致性能下降或构建时间过长。其他优化需要编译器对函数中的“常见”和“不常见”路径进行判断。编译器必须根据静态启发式方法做出最佳猜测,因为它无法在运行时知道哪些情况是常见的。

但它可以吗?

如果没有关于代码在生产环境中使用情况的明确信息,编译器只能对包的源代码进行操作。但我们确实有一个工具可以评估生产行为:概要分析。如果我们向编译器提供概要文件,它就可以做出更明智的决策:更积极地优化最常使用的函数,或更准确地选择常见情况。

将应用程序行为概要文件用于编译器优化称为概要式引导优化 (PGO)(也称为反馈定向优化 (FDO))。

示例

让我们构建一个将 Markdown 转换为 HTML 的服务:用户将 Markdown 源代码上传到 /render,该服务会返回 HTML 转换结果。我们可以使用 gitlab.com/golang-commonmark/markdown 来轻松实现这一点。

设置

$ go mod init example.com/markdown
$ go get gitlab.com/golang-commonmark/markdown@bf3e522c626a

main.go

package main

import (
    "bytes"
    "io"
    "log"
    "net/http"
    _ "net/http/pprof"

    "gitlab.com/golang-commonmark/markdown"
)

func render(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    if r.Method != "POST" {
        http.Error(w, "Only POST allowed", http.StatusMethodNotAllowed)
        return
    }

    src, err := io.ReadAll(r.Body)
    if err != nil {
        log.Printf("error reading body: %v", err)
        http.Error(w, "Internal Server Error", http.StatusInternalServerError)
        return
    }

    md := markdown.New(
        markdown.XHTMLOutput(true),
        markdown.Typographer(true),
        markdown.Linkify(true),
        markdown.Tables(true),
    )

    var buf bytes.Buffer
    if err := md.Render(&buf, src); err != nil {
        log.Printf("error converting markdown: %v", err)
        http.Error(w, "Malformed markdown", http.StatusBadRequest)
        return
    }

    if _, err := io.Copy(w, &buf); err != nil {
        log.Printf("error writing response: %v", err)
        http.Error(w, "Internal Server Error", http.StatusInternalServerError)
        return
    }
}

func main() {
    http.HandleFunc("/render", render)
    log.Printf("Serving on port 8080...")
    log.Fatal(http.ListenAndServe(":8080", nil))
}

构建并运行服务器

$ go build -o markdown.nopgo.exe
$ ./markdown.nopgo.exe
2023/08/23 03:55:51 Serving on port 8080...

让我们尝试从另一个终端发送一些 Markdown。我们可以使用 Go 项目的 README.md 作为示例文档

$ curl -o README.md -L "https://raw.githubusercontent.com/golang/go/c16c2c49e2fa98ae551fc6335215fadd62d33542/README.md"
$ curl --data-binary @README.md https://127.0.0.1:8080/render
<h1>The Go Programming Language</h1>
<p>Go is an open source programming language that makes it easy to build simple,
reliable, and efficient software.</p>
...

概要分析

现在我们已经有了可用的服务,让我们收集概要文件,并使用 PGO 重新构建,看看是否能获得更好的性能。

main.go 中,我们导入了 net/http/pprof,它会自动向服务器添加一个 /debug/pprof/profile 端点,用于获取 CPU 概要文件。

通常情况下,您需要从生产环境中收集概要文件,以便编译器能够获得对生产中行为的代表性视图。由于此示例没有“生产”环境,我创建了一个 简单程序 来在收集概要文件时生成负载。获取并启动负载生成器(确保服务器仍在运行!)。

$ go run github.com/prattmic/markdown-pgo/load@latest

在运行过程中,从服务器下载概要文件

$ curl -o cpu.pprof "https://127.0.0.1:8080/debug/pprof/profile?seconds=30"

完成此操作后,关闭负载生成器和服务器。

使用概要文件

Go 工具链将在主包目录中找到名为 default.pgo 的概要文件时自动启用 PGO。或者,go build-pgo 标志可以接受要用于 PGO 的概要文件路径。

我们建议将 default.pgo 文件提交到您的存储库。将概要文件与源代码一起存储可确保用户只需获取存储库(通过版本控制系统或通过 go get)即可自动访问概要文件,并使构建保持可重复性。

让我们构建

$ mv cpu.pprof default.pgo
$ go build -o markdown.withpgo.exe

我们可以使用 go version 检查 PGO 是否已在构建中启用

$ go version -m markdown.withpgo.exe
./markdown.withpgo.exe: go1.21.0
...
        build   -pgo=/tmp/pgo121/default.pgo

评估

我们将使用 Go 基准测试 负载生成器的版本 来评估 PGO 对性能的影响。

首先,我们将对没有 PGO 的服务器进行基准测试。启动该服务器

$ ./markdown.nopgo.exe

在运行过程中,运行多次基准测试迭代

$ go get github.com/prattmic/markdown-pgo@latest
$ go test github.com/prattmic/markdown-pgo/load -bench=. -count=40 -source $(pwd)/README.md > nopgo.txt

完成后,关闭原始服务器并启动启用了 PGO 的版本

$ ./markdown.withpgo.exe

在运行过程中,运行多次基准测试迭代

$ go test github.com/prattmic/markdown-pgo/load -bench=. -count=40 -source $(pwd)/README.md > withpgo.txt

完成后,让我们比较结果

$ go install golang.org/x/perf/cmd/benchstat@latest
$ benchstat nopgo.txt withpgo.txt
goos: linux
goarch: amd64
pkg: github.com/prattmic/markdown-pgo/load
cpu: Intel(R) Xeon(R) W-2135 CPU @ 3.70GHz
        │  nopgo.txt  │            withpgo.txt             │
        │   sec/op    │   sec/op     vs base               │
Load-12   374.5µ ± 1%   360.2µ ± 0%  -3.83% (p=0.000 n=40)

新版本速度提高了约 3.8%!在 Go 1.21 中,启用 PGO 后,工作负载的 CPU 使用率通常会提高 2% 到 7%。概要文件包含大量关于应用程序行为的信息,Go 1.21 只是开始通过将这些信息用于有限的优化来挖掘其潜力。未来的版本将继续通过编译器的更多部分利用 PGO 来提高性能。

后续步骤

在此示例中,收集概要文件后,我们使用与原始构建中完全相同的源代码重新构建了服务器。在实际场景中,开发工作总是不断进行的。因此,我们可能会从运行上周代码的生产环境中收集概要文件,并使用它来构建今天的源代码。这是完全可以的!Go 中的 PGO 可以处理源代码的细微变化,不会出现问题。当然,随着时间的推移,源代码会发生越来越大的变化,因此定期更新概要文件仍然很重要。

有关使用 PGO 的更多信息、最佳实践和需要注意的注意事项,请参阅 概要式引导优化用户指南。如果您想知道幕后发生了什么,请继续阅读!

幕后

为了更好地了解是什么让此应用程序变快了,让我们看看幕后发生了什么,以了解性能发生了哪些变化。我们将查看两种不同的 PGO 驱动优化。

内联

为了观察内联改进,让我们分析一下启用了和未启用 PGO 的 Markdown 应用程序。

我将使用一种称为差分概要分析的技术进行比较,在这种技术中,我们收集两个概要文件(一个启用 PGO,一个未启用 PGO),然后进行比较。对于差分概要分析,重要的是两个概要文件都代表相同数量的工作,而不是相同的时间量,因此我调整了服务器以自动收集概要文件,并且调整了负载生成器以发送固定数量的请求,然后退出服务器。

我在服务器中做出的更改以及收集的概要文件可以在 https://github.com/prattmic/markdown-pgo 上找到。负载生成器使用 -count=300000 -quit 运行。

作为快速一致性检查,让我们看一下处理所有 300k 个请求所需的总 CPU 时间

$ go tool pprof -top cpu.nopgo.pprof | grep "Total samples"
Duration: 116.92s, Total samples = 118.73s (101.55%)
$ go tool pprof -top cpu.withpgo.pprof | grep "Total samples"
Duration: 113.91s, Total samples = 115.03s (100.99%)

CPU 时间从 ~118s 降至 ~115s,即下降了约 3%。这与我们的基准测试结果一致,这表明这些概要文件具有代表性。

现在我们可以打开差分概要文件以查找节省的资源

$ go tool pprof -diff_base cpu.nopgo.pprof cpu.withpgo.pprof
File: markdown.profile.withpgo.exe
Type: cpu
Time: Aug 28, 2023 at 10:26pm (EDT)
Duration: 230.82s, Total samples = 118.73s (51.44%)
Entering interactive mode (type "help" for commands, "o" for options)
(pprof) top -cum
Showing nodes accounting for -0.10s, 0.084% of 118.73s total
Dropped 268 nodes (cum <= 0.59s)
Showing top 10 nodes out of 668
      flat  flat%   sum%        cum   cum%
    -0.03s 0.025% 0.025%     -2.56s  2.16%  gitlab.com/golang-commonmark/markdown.ruleLinkify
     0.04s 0.034% 0.0084%     -2.19s  1.84%  net/http.(*conn).serve
     0.02s 0.017% 0.025%     -1.82s  1.53%  gitlab.com/golang-commonmark/markdown.(*Markdown).Render
     0.02s 0.017% 0.042%     -1.80s  1.52%  gitlab.com/golang-commonmark/markdown.(*Markdown).Parse
    -0.03s 0.025% 0.017%     -1.71s  1.44%  runtime.mallocgc
    -0.07s 0.059% 0.042%     -1.62s  1.36%  net/http.(*ServeMux).ServeHTTP
     0.04s 0.034% 0.0084%     -1.58s  1.33%  net/http.serverHandler.ServeHTTP
    -0.01s 0.0084% 0.017%     -1.57s  1.32%  main.render
     0.01s 0.0084% 0.0084%     -1.56s  1.31%  net/http.HandlerFunc.ServeHTTP
    -0.09s 0.076% 0.084%     -1.25s  1.05%  runtime.newobject
(pprof) top
Showing nodes accounting for -1.41s, 1.19% of 118.73s total
Dropped 268 nodes (cum <= 0.59s)
Showing top 10 nodes out of 668
      flat  flat%   sum%        cum   cum%
    -0.46s  0.39%  0.39%     -0.91s  0.77%  runtime.scanobject
    -0.40s  0.34%  0.72%     -0.40s  0.34%  runtime.nextFreeFast (inline)
     0.36s   0.3%  0.42%      0.36s   0.3%  gitlab.com/golang-commonmark/markdown.performReplacements
    -0.35s  0.29%  0.72%     -0.37s  0.31%  runtime.writeHeapBits.flush
     0.32s  0.27%  0.45%      0.67s  0.56%  gitlab.com/golang-commonmark/markdown.ruleReplacements
    -0.31s  0.26%  0.71%     -0.29s  0.24%  runtime.writeHeapBits.write
    -0.30s  0.25%  0.96%     -0.37s  0.31%  runtime.deductAssistCredit
     0.29s  0.24%  0.72%      0.10s 0.084%  gitlab.com/golang-commonmark/markdown.ruleText
    -0.29s  0.24%  0.96%     -0.29s  0.24%  runtime.(*mspan).base (inline)
    -0.27s  0.23%  1.19%     -0.42s  0.35%  bytes.(*Buffer).WriteRune

在指定 pprof -diff_base 时,pprof 中显示的值是两个概要文件之间的差异。因此,例如,runtime.scanobject 在启用 PGO 后比未启用 PGO 时少用了 0.46 秒的 CPU 时间。另一方面,gitlab.com/golang-commonmark/markdown.performReplacements 多用了 0.36 秒的 CPU 时间。在差分概要文件中,我们通常希望查看绝对值(flatcum 列),因为百分比没有意义。

top -cum 显示了按累积变化排列的最高差异。也就是说,函数本身及其所有传递调用者的 CPU 时间差异。这通常会显示程序调用图中的最外层帧,例如 main 或另一个 goroutine 入口点。在这里我们可以看到,大多数节省来自处理 HTTP 请求的 ruleLinkify 部分。

top 显示了仅限于函数本身变化的最高差异。这通常会显示程序调用图中的内部帧,其中大部分实际工作正在发生。在这里我们可以看到,各个节省主要来自 runtime 函数。

它们是什么?让我们向上查看调用堆栈以查看它们来自哪里

(pprof) peek scanobject$
Showing nodes accounting for -3.72s, 3.13% of 118.73s total
----------------------------------------------------------+-------------
      flat  flat%   sum%        cum   cum%   calls calls% + context
----------------------------------------------------------+-------------
                                            -0.86s 94.51% |   runtime.gcDrain
                                            -0.09s  9.89% |   runtime.gcDrainN
                                             0.04s  4.40% |   runtime.markrootSpans
    -0.46s  0.39%  0.39%     -0.91s  0.77%                | runtime.scanobject
                                            -0.19s 20.88% |   runtime.greyobject
                                            -0.13s 14.29% |   runtime.heapBits.nextFast (inline)
                                            -0.08s  8.79% |   runtime.heapBits.next
                                            -0.08s  8.79% |   runtime.spanOfUnchecked (inline)
                                             0.04s  4.40% |   runtime.heapBitsForAddr
                                            -0.01s  1.10% |   runtime.findObject
----------------------------------------------------------+-------------
(pprof) peek gcDrain$
Showing nodes accounting for -3.72s, 3.13% of 118.73s total
----------------------------------------------------------+-------------
      flat  flat%   sum%        cum   cum%   calls calls% + context
----------------------------------------------------------+-------------
                                               -1s   100% |   runtime.gcBgMarkWorker.func2
     0.15s  0.13%  0.13%        -1s  0.84%                | runtime.gcDrain
                                            -0.86s 86.00% |   runtime.scanobject
                                            -0.18s 18.00% |   runtime.(*gcWork).balance
                                            -0.11s 11.00% |   runtime.(*gcWork).tryGet
                                             0.09s  9.00% |   runtime.pollWork
                                            -0.03s  3.00% |   runtime.(*gcWork).tryGetFast (inline)
                                            -0.03s  3.00% |   runtime.markroot
                                            -0.02s  2.00% |   runtime.wbBufFlush
                                             0.01s  1.00% |   runtime/internal/atomic.(*Bool).Load (inline)
                                            -0.01s  1.00% |   runtime.gcFlushBgCredit
                                            -0.01s  1.00% |   runtime/internal/atomic.(*Int64).Add (inline)
----------------------------------------------------------+-------------

因此,runtime.scanobject 最终来自 runtime.gcBgMarkWorkerGo GC 指南 告诉我们,runtime.gcBgMarkWorker 是垃圾收集器的一部分,因此 runtime.scanobject 的节省必须是 GC 的节省。nextFreeFast 和其他 runtime 函数呢?

(pprof) peek nextFreeFast$
Showing nodes accounting for -3.72s, 3.13% of 118.73s total
----------------------------------------------------------+-------------
      flat  flat%   sum%        cum   cum%   calls calls% + context
----------------------------------------------------------+-------------
                                            -0.40s   100% |   runtime.mallocgc (inline)
    -0.40s  0.34%  0.34%     -0.40s  0.34%                | runtime.nextFreeFast
----------------------------------------------------------+-------------
(pprof) peek writeHeapBits
Showing nodes accounting for -3.72s, 3.13% of 118.73s total
----------------------------------------------------------+-------------
      flat  flat%   sum%        cum   cum%   calls calls% + context
----------------------------------------------------------+-------------
                                            -0.37s   100% |   runtime.heapBitsSetType
                                                 0     0% |   runtime.(*mspan).initHeapBits
    -0.35s  0.29%  0.29%     -0.37s  0.31%                | runtime.writeHeapBits.flush
                                            -0.02s  5.41% |   runtime.arenaIndex (inline)
----------------------------------------------------------+-------------
                                            -0.29s   100% |   runtime.heapBitsSetType
    -0.31s  0.26%  0.56%     -0.29s  0.24%                | runtime.writeHeapBits.write
                                             0.02s  6.90% |   runtime.arenaIndex (inline)
----------------------------------------------------------+-------------
(pprof) peek heapBitsSetType$
Showing nodes accounting for -3.72s, 3.13% of 118.73s total
----------------------------------------------------------+-------------
      flat  flat%   sum%        cum   cum%   calls calls% + context
----------------------------------------------------------+-------------
                                            -0.82s   100% |   runtime.mallocgc
    -0.12s   0.1%   0.1%     -0.82s  0.69%                | runtime.heapBitsSetType
                                            -0.37s 45.12% |   runtime.writeHeapBits.flush
                                            -0.29s 35.37% |   runtime.writeHeapBits.write
                                            -0.03s  3.66% |   runtime.readUintptr (inline)
                                            -0.01s  1.22% |   runtime.writeHeapBitsForAddr (inline)
----------------------------------------------------------+-------------
(pprof) peek deductAssistCredit$
Showing nodes accounting for -3.72s, 3.13% of 118.73s total
----------------------------------------------------------+-------------
      flat  flat%   sum%        cum   cum%   calls calls% + context
----------------------------------------------------------+-------------
                                            -0.37s   100% |   runtime.mallocgc
    -0.30s  0.25%  0.25%     -0.37s  0.31%                | runtime.deductAssistCredit
                                            -0.07s 18.92% |   runtime.gcAssistAlloc
----------------------------------------------------------+-------------

看起来 nextFreeFast 和前 10 名中的其他一些函数最终来自 runtime.mallocgc,GC 指南告诉我们这是内存分配器。

GC 和分配器中减少的成本意味着我们总体上分配的更少了。让我们看看堆配置文件以获得洞察力。

$ go tool pprof -sample_index=alloc_objects -diff_base heap.nopgo.pprof heap.withpgo.pprof
File: markdown.profile.withpgo.exe
Type: alloc_objects
Time: Aug 28, 2023 at 10:28pm (EDT)
Entering interactive mode (type "help" for commands, "o" for options)
(pprof) top
Showing nodes accounting for -12044903, 8.29% of 145309950 total
Dropped 60 nodes (cum <= 726549)
Showing top 10 nodes out of 58
      flat  flat%   sum%        cum   cum%
  -4974135  3.42%  3.42%   -4974135  3.42%  gitlab.com/golang-commonmark/mdurl.Parse
  -4249044  2.92%  6.35%   -4249044  2.92%  gitlab.com/golang-commonmark/mdurl.(*URL).String
   -901135  0.62%  6.97%    -977596  0.67%  gitlab.com/golang-commonmark/puny.mapLabels
   -653998  0.45%  7.42%    -482491  0.33%  gitlab.com/golang-commonmark/markdown.(*StateInline).PushPending
   -557073  0.38%  7.80%    -557073  0.38%  gitlab.com/golang-commonmark/linkify.Links
   -557073  0.38%  8.18%    -557073  0.38%  strings.genSplit
   -436919   0.3%  8.48%    -232152  0.16%  gitlab.com/golang-commonmark/markdown.(*StateBlock).Lines
   -408617  0.28%  8.77%    -408617  0.28%  net/textproto.readMIMEHeader
    401432  0.28%  8.49%     499610  0.34%  bytes.(*Buffer).grow
    291659   0.2%  8.29%     291659   0.2%  bytes.(*Buffer).String (inline)

-sample_index=alloc_objects 选项显示了分配的计数,无论大小如何。这很有用,因为我们正在调查 CPU 使用率的下降,这往往与分配计数而不是大小更相关。这里有相当多的减少,但让我们关注最大的减少,mdurl.Parse

作为参考,让我们看看没有 PGO 时此函数的总分配计数。

$ go tool pprof -sample_index=alloc_objects -top heap.nopgo.pprof | grep mdurl.Parse
   4974135  3.42% 68.60%    4974135  3.42%  gitlab.com/golang-commonmark/mdurl.Parse

之前的总计数为 4974135,这意味着 mdurl.Parse 消除了 100% 的分配!

回到差异配置文件,让我们收集更多上下文。

(pprof) peek mdurl.Parse
Showing nodes accounting for -12257184, 8.44% of 145309950 total
----------------------------------------------------------+-------------
      flat  flat%   sum%        cum   cum%   calls calls% + context
----------------------------------------------------------+-------------
                                          -2956806 59.44% |   gitlab.com/golang-commonmark/markdown.normalizeLink
                                          -2017329 40.56% |   gitlab.com/golang-commonmark/markdown.normalizeLinkText
  -4974135  3.42%  3.42%   -4974135  3.42%                | gitlab.com/golang-commonmark/mdurl.Parse
----------------------------------------------------------+-------------

mdurl.Parse 的调用来自 markdown.normalizeLinkmarkdown.normalizeLinkText

(pprof) list mdurl.Parse
Total: 145309950
ROUTINE ======================== gitlab.com/golang-commonmark/mdurl.Parse in /usr/local/google/home/mpratt/go/pkg/mod/gitlab.com/golang-commonmark/[email protected]/parse
.go
  -4974135   -4974135 (flat, cum)  3.42% of Total
         .          .     60:func Parse(rawurl string) (*URL, error) {
         .          .     61:   n, err := findScheme(rawurl)
         .          .     62:   if err != nil {
         .          .     63:           return nil, err
         .          .     64:   }
         .          .     65:
  -4974135   -4974135     66:   var url URL
         .          .     67:   rest := rawurl
         .          .     68:   hostless := false
         .          .     69:   if n > 0 {
         .          .     70:           url.RawScheme = rest[:n]
         .          .     71:           url.Scheme, rest = strings.ToLower(rest[:n]), rest[n+1:]

这些函数和调用者的完整源代码可以在以下位置找到:

那么这里发生了什么呢?在非 PGO 构建中,mdurl.Parse 被认为太大而无法内联。但是,由于我们的 PGO 配置文件表明对该函数的调用很热,编译器确实将它们内联了。我们可以从配置文件中的 “(inline)” 注释中看到这一点。

$ go tool pprof -top cpu.nopgo.pprof | grep mdurl.Parse
     0.36s   0.3% 63.76%      2.75s  2.32%  gitlab.com/golang-commonmark/mdurl.Parse
$ go tool pprof -top cpu.withpgo.pprof | grep mdurl.Parse
     0.55s  0.48% 58.12%      2.03s  1.76%  gitlab.com/golang-commonmark/mdurl.Parse (inline)

mdurl.Parse 在第 66 行创建了一个 URL 作为局部变量 (var url URL),然后在第 145 行返回指向该变量的指针 (return &url, nil)。通常情况下,这需要将变量分配在堆上,因为对它的引用超出了函数返回。但是,一旦 mdurl.Parse 被内联到 markdown.normalizeLink 中,编译器就可以观察到该变量没有逃逸 normalizeLink,这允许编译器将其分配在栈上。markdown.normalizeLinkTextmarkdown.normalizeLink 类似。

配置文件中显示的第二个最大减少,来自 mdurl.(*URL).String,是在内联后消除逃逸的类似情况。

在这些情况下,我们通过减少堆分配获得了更好的性能。PGO 和编译器优化的一般强大之处在于,对分配的影响根本不是编译器 PGO 实现的一部分。PGO 所做的唯一更改是允许内联这些热函数调用。对逃逸分析和堆分配的所有影响都是适用于任何构建的标准优化。改进的逃逸行为是内联的巨大下游影响,但它不是唯一的影响。许多优化可以利用内联。例如,常量传播可以在内联后简化函数中的代码,当一些输入是常量时。

去虚拟化

除了我们在上面示例中看到的内联之外,PGO 还可以驱动接口调用的条件去虚拟化。

在进入 PGO 驱动的去虚拟化之前,让我们退一步并定义一般意义上的 “去虚拟化”。假设您的代码看起来像这样

f, _ := os.Open("foo.txt")
var r io.Reader = f
r.Read(b)

这里我们调用了 io.Reader 接口方法 Read。由于接口可以有多个实现,编译器生成一个 *间接* 函数调用,这意味着它在运行时从接口值中的类型中查找要调用的正确方法。与直接调用相比,间接调用会带来少量额外的运行时成本,但更重要的是,它们会阻止一些编译器优化。例如,编译器无法对间接调用执行逃逸分析,因为它不知道具体的函数实现。

但在上面的示例中,我们 *确实* 知道具体的函数实现。它一定是 os.(*File).Read,因为 *os.File 是唯一可能分配给 r 的类型。在这种情况下,编译器将执行 *去虚拟化*,它将对 io.Reader.Read 的间接调用替换为对 os.(*File).Read 的直接调用,从而允许其他优化。

(您可能在想 “这段代码毫无用处,为什么有人会这样写?” 这是一个很好的观点,但请注意,上面的代码可能是内联的结果。假设 f 被传递给一个接受 io.Reader 参数的函数。一旦函数被内联,io.Reader 就变得具体了。)

PGO 驱动的去虚拟化将这个概念扩展到具体的类型不是静态已知的场景,但分析可以表明,例如,io.Reader.Read 调用大多数情况下都针对 os.(*File).Read。在这种情况下,PGO 可以将 r.Read(b) 替换为类似的东西

if f, ok := r.(*os.File); ok {
    f.Read(b)
} else {
    r.Read(b)
}

也就是说,我们添加了一个运行时检查来检查最有可能出现的具体类型,如果是这样的话,就使用具体调用,否则就回退到标准的间接调用。这里的优势在于,常见路径(使用 *os.File)可以被内联并应用额外的优化,但我们仍然保留了回退路径,因为配置文件不能保证这始终是这种情况。

在我们对降价服务器的分析中,我们没有看到 PGO 驱动的去虚拟化,但我们也只查看了受影响最大的区域。PGO(以及大多数编译器优化)通常在大量不同地方的非常小的改进中产生它们的收益,因此可能发生的不仅仅是我们所查看的。

内联和去虚拟化是 Go 1.21 中可用的两种 PGO 驱动的优化,但正如我们所见,它们通常会解锁额外的优化。此外,未来的 Go 版本将继续通过额外的优化来改进 PGO。

致谢

将 profile-guided optimization 添加到 Go 是团队合作的结果,我特别想感谢来自 Uber 的 Raj Barik 和 Jin Lin 以及来自 Google 的 Cherry Mui 和 Austin Clements 的贡献。这种跨社区的协作是让 Go 变得伟大的关键部分。

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