Go语言汇编优化－蒙卓

Posted 2021-04-05 GoCN

目录

• 基础知识

• 汇编语法

• Demo

• 基本程序

• debug

讲汇编优化，不得不说一句高德纳的名言——过早的优化就是万恶之源。如果你们没有被逼到绝路，或者要榨干CPU的性能，千万不要尝试以下演讲的内容。



    我给 Go 的 1.11 提交了这几个项目，第一个是 Hashmap 优化，就是你们常用的 map 操作里面最费时的哈希值计算优化。VDSO，虚拟动态对接的 syscall，主要是优化系统时间调用。Md5、Chacha20就不说了。还有一个 Duffcopy，这是给编译器展开优化用的，它在 arm64平台优化得不是很好，所以我也做了优化。除了 Chacha20还没有完成外，其他的都已经在 Go master 上可以用到了。可能有些人会觉得为什么都是 arm64 平台的优化？其实就是 Go 官方团队维护了 X86-64，已经优化得很好，我就不要搀和了，就挑了一个比较新的平台，arm64。



   国内 arm 公司的大牛肖玮带领他的团队也在做 Go 相关的优化，比如 sha256，提升的效率有 16倍。国外的也有，Cloudflare，做CDN的公司，他们有一个密码学大牛弗拉德做了一些优化，也在 Go 的1.11里面合进去了，优化的效率是多少呢？



这是他们的CTO转发的推，CTO问他上周优化了一些什么东西呢？他说他优化了一些Go的库，RSA 性能有20倍，AES-GCM有15倍，P256有18倍。看了这些大牛优化以后有这么好的性能提升，是不是很心动啊？这次演讲就是教大家入门汇编优化，怎么做十几倍的加速。

1. 基础知识

   所以怎么跑得那么快？就要知道干什么。 总结下来有三点，减少读写，并行操作，硬件加速。

1.1 减少读写



  上图是谷歌的 Jeff Dean 分享的《程序员应该知道的延迟》，这个延迟是什么延迟呢？比如数据从CPU L1里面挖出来的速度，在2012年的时候是0.5ns，CPU L2里面是7ns；储存，也就是我们常说的内存里面拉出来是100ns。大家有没有发现每多一层就是10倍的性能下降，所以你要尽量少用内存的操作，多用寄存器。还有，CPU访问内存的时候有一个小窍门，把这个对齐再访问，CPU会执行得更快一些。这些都是基本知识，大家可以百度、Google 一下，不展开。

1.2 并行操作

业内叫做并行操作SIMD，就是单一指令多个数据进行操作。比如一般的加法操作，一次性只能加一个数，但是你要是用上一些向量指令集，就可以一次性操作8个、16个、32个，意味着相同的时间内能操作数据就更多，也就更快，这是很自然的事情。

1.3 硬件加速

算法再好，最多10倍，然而硬件指令是16倍朝上，比如肖伟和弗拉德他们做的优化基本上是借助硬件指令，非常简单粗暴。像马云说的，武功再高，也怕菜刀。

1.4 程序内存分布

• 构造与其他程序一致

• TEXT=可执行代码

• DATA=堆+全局变量

• frame=函数参数+临时数据

• stack=Go调度器/信号处理



    Go 的内存分布要大致了解，因为汇编是直接对内存进行的操作，所以你需要对内存的位置，哪个位置存什么东西有所了解。其实 Go 怎么使用内存和其他程序是差不多的。最下面的TEXT是存放可知性代码，DATA 是堆和全局变量。唯一不一样的地方是 Go 没有完全使用系统栈，而是拆成 frame 栈帧，栈帧保证程序存的参数和临时数据。那原来系统的栈拿去干嘛了？Go 的调度器和信号处理都是在系统栈上，不在栈帧上。

2. 汇编语法

汇编语法特点

• 准抽象汇编语言

• AT&T风格（左到右）

• 指令 参数×N 目标（N=0...3）

    虽然看起来汇编语法是好复杂，其实是非常简单粗暴的，没有 C++、Java 等一堆术语。对内存直接操作，就是这么简单。实际上Go的汇编语法和Plan9这个操作系统渊源很深，Plan9 操作系统大家可能没有听说过，其实和Go是同一波人做的。

   Go 的汇编语法其实很简单，它是准抽象的汇编语言，为什么叫准抽象？Go 本来的汇编语言是希望大一统，有什么X86-64，Arm64，大家只要写一种汇编语言就可以。实现起来后发现大部分做不到，最后只能保留差异，统一了风格，再输出机器码，所以叫准抽象的汇编语言。再有就是它的AT&T的风格，从左到右的写法，就是指令级在最左边，中间设几个参数，然后放目标寄存器或者目标，其他的嘛，各个平台就完全不一样了。

2.1 汇编语法例子

2.2 例子代码讲解

第一步是move指令

就是把一个数据从一个地方挪到另外一个地方，简单就是把ab两个数据放寄存器R1、R2里面，这里面多一个东西，FP，就是 Frame Pointer，刚才讲到栈帧保存参数和临时存储的数据的地方。这就是就是FP开始寻址，FP指栈帧的最低位。你把a拿出来，从0开始寻，挪到R1里面，把B拿出来，是不是8个字节，然后就把它存到R2里面。

第三步，R3=a+b。

最后把R3里面的数据放回C的参数返回，Return。

大家到现在就已经学会汇编语言了。

   非常简单，但是大家最好不要这么写，为什么？我用Go写，就一行的事情。你用汇编写内存动来动去，还要算来算去，千万不要用汇编写复杂语言，这很困难。还记得，我们刚才讲的三个汇编优化目标，减少读写、并行操作、硬件加速。

2.3 减少读写

塞满寄存器

每次搬8个字节就要走一遍，还要用同一个寄存器，CPU就不高兴了——它的性能就下降。

占满流水线

处理块数据

  处理块数据对CPU来说是非常容易的事情，它可以把之前操作的数据塞到L1、L2里面去，所以这个寻址速度比主存里面拉出来快很多。



2.4 并行操作

给大家举个例子。很简单，一个 uint8的 slice，你把它加起来，放到dst里面，把这个slice的数据全部加起来。这里数据比较复杂，所以我要给大家做一个Demo给大家看。

这里面有三个函数，我们先看第一个，刚才的函数和刚才一模一样，直接摘过来的，下面是空的，意思是告诉汇编器，这里要开始了。凡事都要测试，我把这些数据摆出来，64个，全部塞进去，dst，把64减去原来的i值，最后每个64。这个代码是空的，什么都没有。这个和刚才差不多，Slice的数据结构有人了解过吗？一共占用三个数字而已。刚才的函数大家还记得吗？两个slice，从第一个slice里面读是从0号位开始读，我从第二个slice里面读是从第二位开始读，大家不明白也可以。你暂时理解为把两个指针塞到R1和R3里面。接下来我把R1和R3里面的数据分别载入到4个向量寄存器里面，也就是一共是8个，载入进来以后，最后做一个向量加的操作，最后把这些数据塞回给R1。最后是返回操作。你要开发Go的master代码，可能需要一些Go最新的编译器。测试的结果没有问题。

   看一下效果，上面的函数，刚才用Go实现的版本，下面这个是用向量加的方式加的，这两个函数只差一个函数名。这个吞吐量原来用Go实现的，原来285MB/S，用向量，3GB/s，效果提升了10倍。其实真正的优化不会有这么高，这是在你的算法和数据结构实现好的情况下，差不多才有这个性能提升。

   可能大家有点印象，几个文件的名字有点奇怪，为什么在后面加了arm64？这是告诉汇编器只能在arm64编译，其他的平台不要动它。

   benchmark很重要，你觉得代码、数据结构很好，但是测出来不行，为啥？这就需要测试和benchmark来找出来。

2.5 GDB Debug

Go 写的代码，比如二进制程序进来，gdb下怎么运行程序？run一下。

你在某一行、某一个地方想打断点，这对汇编程序很重要，用 break。

想试试看接下来怎么运行，Go 做得很好的地方是连汇编都能按一行行执行， 用n ext。

有时候 Go 的优化里面会用到寄存器，那么查看寄存器是 info register。

   最后是硬件加速，时间有限就不展开了，还有硬件加速是非常难的事情，你要对特定的CPU 的指令集非常了解。

   以上是所有内容，谢谢大家！

 

【提问环节】

提问：汇编看不懂，很多对不上。 

蒙卓：右边的图是一个示例，具体到里面讲解到的所谓栈帧的实现是每个平台都不一样，我后面的参考资料里面有，国内滴滴的开发曹同学 (xargin) 的也研究过，发现 X86和 arm64连栈帧的实现都不一样，这个真得看源代码。

提问：看编译器的代码？

蒙卓：不是，看 runtime 的代码，它上面有些文档，但是不全。如果你真的有疑问，可以用GDB跟着跑一次就知道了。

提问：很多参数是一次性加载的，减少了读，是不是以空间换时间的方式？会不会耗费大量的空间？ 

蒙卓：对，用寄存器空间换执行时间。寄存器就是拿来塞东西的，我这么好好的用他们，不是很好吗？

 

提问：汇编这块要怎么用让我们学习？因为我本身也看过个官方的源码，如果我把源码拿去debug，行不行，怎么做？

蒙卓：可行，就用GDB，日志看不到，但是看函数行为、打断点都可行。

提问：这个我找资料可以看到，现在拿到Go语言的源码，怎么跑起来？然后我在Go语言里面，比如举个场景，现在Go语言的语法可能想看一下语法怎么运作，甚至怎么编译的，这个要怎么调试才能看到？

蒙卓：Go本身只是一个编译器，编译出来的东西是都是计算机可执行，这涉及三个环节，一个是编译器，一个是连接器，还有最后可执行文件（打包），要看三个部分（的代码）。就是说你知道Go的源代码没有问题，但本身只是编译，只是把Go的语言、语句变成二进制的文件而已，就这么简单。你刚才说的怎么编译的过程？

提问：怎么变的。

蒙卓：要看Go下面编译器的代码。

提问：我要看怎么跑起来，通过IDE的方式看得到它的执行步骤。 

蒙卓：IDE的方式，那就是跟Go其他程序一样，比如Go run什么的。 

提问：我没有跑成功过。我就想分析它的语法术，看它编译原理是什么样。语法这些我知道官方有，但是我想自己改变它的语法，重新实现一套，增加自己内测的语法功能。

其他观众：Go里面有专门AST包。

蒙卓：你要研究的部分，从语法分析直到编译的环节，Go官方自己的文档里面有的，源代码都在 golang.org/pkg/go 里面。