这是我参与「第五届青训营 」伴学笔记创作活动的第 5 天
编译器和静态分析
编译器结构
编译器是一种重要的系统软件，它的作用有：识别符合语法和非法的程序，针对不同的平台（arm64、amd64、...）生成正确且高效的代码
编译器的前后端可细化分为如下模块：
它可以简化为两个部分：分析部分和综合部分，他是一个顺序的结构
分析部分（前端 frontend）
- 词法分析，这部分将会生成词素（lexeme）
- 语法分析，把词素整合成抽象语法树（AST）
- 语义分析，（在语法树上）搜集类型信息，进行语义检查，把语义信息放到AST上，所以语义分析生成的结果又叫做decorated AST（装饰过的AST）
- 中间代码生成，根据AST生成IR(Intermediate Representation)，这个IR是与机器无关的，也就是说不论是arm64、amd64还是什么，IR是一样的
综合部分（后端 backend）
- 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
静态分析
静态分析指的是不执行程序代码，推导程序的行为，分析程序的性质
一般来说，最常见的分析有两种：控制流和数据流分析
数据流分析和控制流分析
- 控制流（Control flow），分析程序执行的流程（通常会用Control-Flow Graph表示）
- 数据流（Data flow），数据在控制流上的传递
我们通过分析控制流和数据流，可以知道更多关于程序的性质（properties），并且根据这些性质来优化代码
也可以理解成人肉编译优化
过程内分析和过程间分析
过程内分析（Intra-procedural analysis），只在函数内部进行分析
过程间分析（Inter-procedural analysis），考虑过程调用时参数传递和返回值的数据流和控制流
过程内分析其实是蛮简单的，因为限定范围在了单个函数内，过程间分析反而是比较难的，具体如下：
- 需要通过数据流分析得知某些变量的具体类型，我们才可以知道某个函数调用的具体是哪个函数
- 我们根据变量的具体类型，也产生了新的控制流，我们需要扩大分析范围
- 过程间分析需要同时分析控制流和数据流，相当于联合求解，难度是比较大的
Golang编译器优化
基本介绍
为什么我们要做编译器优化？
用户无需感知，重新编译即可获得性能收益，同时具有一定的通用普适性
编译器优化现状
目前来说，golang编译器采用的优化少，编译时间短，没有进行较复杂的代码分析和优化
主要原因是go的编译思路是想缩短编译时间
字节的编译器优化的思路
bytedance面向的场景业务是后端长期执行的任务，因此可以进行适当的取舍（tradeoff）：用编译时间换取更高效的机器码，字节自己有Beast Mode，这个产品具有函数内敛、逃逸分析、默认栈大小的调整、边界检查消除、循环展开等等
函数内联(Inlining)
内敛：将被调用函数的函数体（callee）的副本替换到调用位置（caller）上，同时重写代码以反映参数的绑定
在c++中可以使用linline关键字指导编译器内联
函数内联具有如下优点：
- 消除函数调用开销，例如传参和保存寄存器
- 把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
通过Micro benchmark分析一个a+b函数的内联，可以达到4.5倍左右的提升（参考机器CPU是i7-1068NG7）
但是函数内联也是有缺点的
- 函数体变大，instruction cache（icache）不友好（不好把函数代码丢进去），就会频繁的icache miss
- 编译生成的Go镜像也会变大（但是其实可以忽略，毕竟硬盘成本较低）
在大多数情况下，函数内联通常都是正向优化，但是并不是所有函数都适合内联，比如这个函数是个大递归，或者说这个函数体积非常大
因此编译器也需要一个自己的内联策略，比如调整被调用函数的规模
例如，根据caller和callee的大小来判断，比如caller已经很大了，那么我们就不把callee内联进来
Beast Mode
这是Bytedance在Go SDK上开发的编译器优化产品
首先，Go的函数内联受到的限制是比较多的，比如语言特性，interface，defer等，限制了函数内联，同时golang的编译器内联策略非常的保守，大多数函数并不会被内联
因此，Beast Mode调整了内联的策略，让更多的函数被内联系，这带来了两个好处
- 降低函数调用的开销
- 增加了其他优化的机会：例如逃逸分析
但是作为取舍（tradeoff），我们增加了go的镜像大小（增加约10%），同时编译时间增加
逃逸分析
逃逸分析指的是，分析代码中指针的动态作用域，也就是这个指针何时会被访问到
逃逸分析的大致思路是这样的
-
从对象分配出发，沿着控制流，观察对象的数据流
-
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
-
则指针p指向的对象逃逸出s，否则就没有逃逸出s
Beast Mode对逃逸分析的优化：函数内联拓展了函数边界，让更多的对象不逃逸
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：只需要移动sp
- 同时减少了在heap上的分配，降低GC负担
开了Beast Mode后，高峰期CPU Usage降低9%，时延降低10%，内存使用降低3%
参考
知乎 - 编译器结构：zhuanlan.zhihu.com/p/148054386
