高性能Go语言发行版的优化 | 青训营笔记

Latrix
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1.性能优化

性能优化是什么？

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

为什么要做性能优化？

用户体验：带来用户体验的提升——让刷抖音更丝滑，让双十一购物不再卡顿

资源高效利用：降低成本，提高效率——很小的优化乘以海量机器会是显著的性能提升和成本节约

性能优化的层面

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性能优化与软件质量

  • 软件质量至关重要
  • 在保证借口稳定的前提下改进具体实现
  • 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

自动内存管理

  • 动态内存

    • 程序在运行时根据需求动态分派的的内存：malloc()

  • 自动内存管理（垃圾回收）：有程序语言的运行时系统管理动态内存

    • 避免手动管理，专注实现业务逻辑
    • 保证内存使用的正确性和安全性：double——free problem, use-after-free problem

  • 三个任务

    • 为新对象分配空间
    • 找到存活对象
    • 回收死亡对象的内存空间

自动内存管理——相关概念

  • Mutator:业务线程，分配新对象，修改对象指向关系

  • Collector: GC线程，找到存活对象，回收死亡对象的内存空间

  • Serial GC:只有一个collector

  • Parallel GC:支持多个collectors同时回收的GC算法

  • Concurrent GC: mutator(s)和collector(s)可以同时执行

  • 评价GC 算法

    • 安全性(Safety):不能回收存活的对象基本要求
    • 吞吐率(Throughput): 1 -GC时间/程序执行总时间 花在GC上的时间
    • 暂停时间(Pause time): stop the world (STW)业务是否感知
    • 内存开销(Space overhead) GC元数据开销

  • 追踪垃圾回收(Tracing garbage collection)

  • 引用计数（Reference counting）

    • 每个对象都有一个与之关联的引用数目

    • 对象存活的条件：当且仅当引用数大于0

    • 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的实现细节：C++ 智能指针（smart pointer）

    • 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——weak reference
      • 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

二、Go 内存分配

1.分块

  • 目标：为对象在heap上分配内存
  • 提前将内存分块
    • 调用系统调用mmap()向OS申请-大块内存，例如4 MB
    • 先将内存划分成大块，例如8 KB,称作mspan
    • 再将大块继续划分成特定大小的小块，用于对象分配
    • noscan mspan:分配不包含指针的对象一GC 不需要扫描
    • scan mspan:分配包含指针的对象——GC需要扫描

2.缓存

  • TCMalloc: thread caching
  • 每个p包含一个mcache用于快速分配，用于为绑定于p上的g分配对象
  • mcache管理一组mspan
  • 当mcache中的mspan分配完毕，向mcentral申请带有未末分配块的mspan
  • 当mspan中没有分配的对象，mspan会被缓存在mcentral中，而不是立刻释放并归还给OS

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三、Go 内存管理优化

  • 对象分配是非常高频的操作:每秒分配GB级别的内存
  • 小对象占比较高
  • Go内存分配比较耗时
    • 分配路径长: g -> m -> p -> mcache -> mspan -> memory block -> return pointer
    • pprof:对象分配的函数是最频繁调用的函数之一

四、优化方案：Balanced GC

  • 每个g都绑定一大块内存(1 KB)，称作goroutine allocation buffer (GAB)
  • GAB用于noscan类型的小对象分配: < 128 B
  • 使用三个指针维护GAB: base, end, top
  • Bump pointer (指针碰撞)风格对象分配
    • 无须和其他分配请求互斥
    • 分配动作简单高效

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  • 高峰期 CPU usage 降低 4.6%，核心借口时延下降 4.5%~7.7%

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五、编译器

编译器的结构

  • 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

  • 分析部分(前端front end)

    • 词法分析，生成词素(lexeme)
    • 语法分析，生成语法树
    • 语义分析，收集类型信息，进行语义检查
    • 中间代码生成，生成intermediate representation (IR)

  • 综合部分(后端 back end)

    • 代码优化，机器无关优化，生成优化后的IR
    • 代码生成，生成目标代码

六、静态分析

  • 静态分析: 不执行程序代码，推导程序的行为，分析程序的性质。
  • 控制流(Control flow):程序执行的流程
  • 数据流(Data flow):数据在控制流上的传递

七、参考引用

  • 字节跳动青训营内部课
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