这是我参与「第三届青训营 -后端场」笔记创作活动的的第2篇笔记
1、优化
什么是性能优化
- 提升软件系统处理能力，减少不必要的消耗，充分发掘计算机算力
为什么性能优化
- 用户体验
- 资源高效利用、降低成本、提高效率
性能优化与软件质量
- 软件质量至关重要
- 保证接口稳定的前提下进行具体实现
- 测试用例：覆盖尽可能多的场景，方便回归
- 文档：做了什么，没做什么，能达到怎么样的效果
- 隔离：通过选项控制是否开启优化
- 可观测：必要的日志输出
内存管理优化
编译器优化
2、背景
自动内存管理
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动态内存
- 程序在运行时根据需求动态分配的内存：malloc()
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自动内存管理（垃圾回收）：由程序语言的运行时系统管理动态内存
- 避免手动内存管理，专注于实现业务逻辑
- 保证内存使用的正确性和安全性
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三个任务
- 为新对象分配空间
- 找到存活的对象
- 回收死亡对象
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相关概念
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Mutator
- 业务线程，分配新对象，修改对象指向关系
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Collector
- GC线程，找到存活对象，回收死亡对象的内存空间
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Serial GC
- 只有一个collector
- 会有暂停所有线程停下来等回收结束后继续执行
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Parallel GC
- 支持多个collectors同时回收的GC算法
- 多个线程去回收，虽然会暂停业务线程，但效率提高
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Concurrent GC
- Mutator(s) 和Collector(s)可以同时执行
- 暂停时候会有一个去回收，不影响线程的正常执行
- 必须感知到对象指向关系的改变
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评价GC算法
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安全性
- 不能回收存活的对象
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吞吐率
- 1 - GC时间/程序执行总时间
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暂停时间
- 业务是否感知
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内存开销
- GC元数据开销
追踪垃圾回收
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对象被回收的条件
- 指针指向关系不可达的对象
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三步骤
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标记根对象
- 静态变量、全局变量、常量、线程等
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标记：找到可达对象
- 求指针指向关系的传递闭包：从根对象出发，找到所有可达对象
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清理所有不可到达对象
- 将存活对象复制到另外的内存空间（Copying GC）
- 将死亡对象的内存标记为可分配（Mark-sweep GC）
- 移动并整理存活对象（Mark-compact GC）
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根据对象的生命周期，使用不同的标记和清理策略
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分代GC
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每个对象都有年龄：经过GC的次数
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针对不同年龄的对象制定不同的GC策略
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不同年龄的对象处在heap的不同区域
年轻代
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常规对象的分配
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由于存活对象很少，可以采用copying collection
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GC吞吐率很高
老年代
- 对象趋于一直活着，反复复制开销大
- 采用mark-sweep collection
引用计数
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每个对象都有一个与之关联的引用数目
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对象存活条件，当且仅当引用数大于0
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优点
- 内存管理的操作被平摊到程序执行过程中
- 内存管理不需要了解runtime的细节实现
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缺点
- 维护引用计数的开销较大，通过原子操作保证对引用计数操作的原子性和可见性
- 无法回收环形数据结构
- 内存开销，每个对象都引入的额外内存空间存储引用数目
- 回收内存时依然可能引发暂停
3、Go内存管理机制
Go内存分配--分块
- 目标：为对象在heap上分配内存
- 提前将内存分块
- 对象分配：根据对象大小，选择合适的块返回
内存管理优化
- 小对象占比高
- 对象分配是非常高频的操作：每秒分配GB级别的内存
优化方案
Balanced GC
- 指针碰撞
- 三个指针维护
- 将多个小对象的分配合并成一次大对象的分配
4、编译器和静态分析
编译器的结构
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重要的系统软件
- 识别符合语法和非法的程序
- 生成正确且高效的代码
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分析部分（前端）
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综合部分（后端）
静态分析
- 静态分析：不执行程序代码， 推导程序行为，分析程序的性质
- 控制流：程序执行的流程
- 数据流：数据在控制流上的传递
过程内和过程间分析
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过程内分析
- 仅在过程内部分析
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过程间分析
- 考虑过程调用时参数传递和返回值的数据流和控制流
5、Go编译器优化
为什么要做编译器优化
- 用户无感知，重新编译即可获得性能效益
- 通用性优化
现状
- 采用的优化少
- 编译时间较短，没有进行比较复杂的代码分析和优化
编译优化思路
- 场景：面向后端长期执行任务
- tradeoff：用编译时间换取更高效的机器码
Beast mode
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函数内联
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GO函数内联受到的限制比较多
- 语言特训
- 内联策略十分保守
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调整函数内联的策略，使更多函数被内联
- 降低函数调用的开销
- 增加了其他优化的机会：逃逸分析
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开销
- Go镜像增加 ~10%
- 编译时间增加
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逃逸分析
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函数内联拓展了函数边界，更多对象不逃逸
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优化
- 未逃逸的对象可以在栈上分配
- 对象在栈上分配和回收很快：移动sp
- 减少在heap上的分配，降低GC负担
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函数内联
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将被调用函数的函数体的副本替换到调用位置上，同时重写代码以反映参数的绑定
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优点
- 消除函数调用开销，例如传递参数、保存寄存器等
- 将过程间分析转化为过程内分析，帮助其他优化，例如逃逸分析
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缺点
- 函数体变大，对icche不友好
- 编译生成的GO镜像变大
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函数内联大多数情况下是正向优化
逃逸分析
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分析代码中指针的动态作用域：指针在何处可以被访问
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大致思路
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从对象分配处出发，沿着控制流，观察对象的数据流
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若发现指针p在当前作用域s：
- 作为参数传递给其他函数
- 传递给全局变量
- 传递给其他的goroutine
- 传递给已逃逸的指针指向的对象
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则指针p指向的对象逃逸出s，反之则没有
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