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通过实例理解Go Execution Tracer

本文永久链接 – https://tonybai.com/2021/06/28/understand-go-execution-tracer-by-example

Netflix(奈飞公司)的性能架构师Brendan Gregg在其《BPF Performance Tools》一书中对tracing、sampling等概念做了细致描述,以帮助开发人员理解这些概念,并基于这些概念对性能优化辅助工具进行分类,明确它们的适用场合。这里引用部分内容如下:

采样工具(Sampling tools)采用一个测量的子集来描绘目标的粗略情况;这也被称为创建一个profile或profiling(剖析)。profiling工具对运行中的代码采用基于定时器的采样。其缺点是,采样只能提供一个关于目标的粗略的图像,并且可能会遗漏事件。

追踪(tracing)是基于事件的记录,一旦开启跟踪,跟踪工具便能够记录所有原始事件和事件元数据。

在Go工具链中,go tool pprof(与runtime/pprof或net/http/pprof联合使用)便是一个基于采样(sampling)的性能剖析(profiing)辅助工具。它基于定时器对运行的go程序进行各种采样,包括诸如CPU时间、内存分配等方面。但go pprof也具有上面所说的基于采样的工具的不足,那就是采样的频度不足导致的精确性问题,在Go运行时内部,CPU分析使用操作系统计时器来定期(每秒约100次,即10ms一次)中断执行。在每个中断(也称为样本)上,它同时收集当时的调用堆栈。当为了实现更高频度采样时(比如微秒级别的采样),目前的go profile无法支持(为此uber工程师提了一个名为pprof++的高精度、更精确并支持硬件监控的提案)。

Go语言同样也提供了基于追踪(tracing)策略的工具,一旦开启trace,Go应用中发生的所有特定事件(event)便会被记录下来,并支持将其保存在文件中以备后续分析,这个工具由谷歌工程师Dmitry Vyukov提出设计方案并实现,并在Go 1.5版本发布时加入Go工具链,这个工具被称为Go Execution Tracer,中文直译就是Go执行跟踪器

相对于go pprof,Go Execution Tracer的使用相对少一些,但在特定场景下,Go Execution Tracer能发挥出巨大作用,能帮助gopher找出go应用中隐藏较深的疑难杂症。在这篇文章中,我们就来系统地了解一下Go Execution Tracer(以下简称为Tracer)。

1. Go Execution Tracer究竟能做什么?

我们日常使用最多的go性能剖析工具是pprof(go tool pprof),通过定时采样并结合Go标准库中的runtime/pprof或net/http/pprof包,pprof可以帮助我们挖掘出被剖析目标中的“热点”,比如:哪些行代码消耗CPU较多、哪些行代码分配内存较多、哪些代码被阻塞的时间较长等。但是有些时候这些基于定时器采样的数据还不够,我们还需要更多关于Go应用中各个goroutine的执行情况的更为详细的信息。在Dmitry Vyukov最初的设计中,他希望Tracer能为Go开发者提供至少如下的关于goroutine执行情况的信息:

  • 与goroutine调度有关的事件信息:goroutine的创建、启动和结束;goroutine在同步原语(包括mutex、channel收发操作)上的阻塞与解锁。
  • 与网络有关的事件:goroutine在网络I/O上的阻塞和解锁;
  • 与系统调用有关的事件:goroutine进入系统调用与从系统调用返回;
  • 与垃圾回收器有关的事件:GC的开始/停止,并发标记、清扫的开始/停止。

有了这些事件信息,我们可以从P(goroutine调度器概念中的processor)和G(goroutine调度器概念中的goroutine)的视角完整的看到每个P和每个G在Tracer开启期间的全部“所作所为”。而开发人员正是通过对Tracer输出数据中的每个P和G的行为分析并结合详细的event数据来辅助问题诊断的


图3:通过go tool trace以图形化形式查看P和G的行为和事件

另外与pprof基于系统定时器支持10ms频度的采样不同,Tracer为每个event打的时间戳都精确到纳秒(nanosecond)级精度,在查看Tracer数据时,我们可以通过缩放的方式查看不同时间精度下各个P和G呈现的特征,并可以在纳秒精度上查看发生事件的详细信息。

前面说过,Tracer是基于事件而不是定时采样的,因此与定时采样相比,Tracer开启带来的开销是很大的,是肉眼感觉得到的那种影响(输出到文件中的数据体量也要比pprof的采样数据文件多出很多)。在最初设计稿中,Dmitry Vyukov给出的估计是性能下降35%,但实际上可能要比这略好一些,但我们一般也不会在生产环境持续开启Tracer。

大致了解Tracer的运行原理与辅助诊断机制,那么Tracer究竟适合诊断哪些问题呢?Tracer作者Dmitry Vyukov在Tracer设计文档中提到了三点,在实际应用中,Tracer主要也是用于辅助诊断这三个场景下的具体问题的:

  • 并行执行程度不足的问题:比如没有充分利用多核资源等;
  • 因GC导致的延迟较大的问题;
  • Goroutine执行情况分析,尝试发现goroutine因各种阻塞(锁竞争、系统调用、调度、辅助GC)而导致的有效运行时间较短或延迟的问题。

Go Tracer从Go 1.5版本加入Go工具链,之后演化不大,这里简单梳理一下Go 1.5到Go 1.16版本Go Tracer的演化历程:

  • Go 1.5版本在go工具链中加入Go Execution Tracer支持,并在runtime、runtime/trace和net/http/pprof包中加入开启和关闭Trace的API函数;
  • Go 1.7版本中,Go 1.5中引入的“go tool trace”命令在各方面都得到了改进,包括:

    • 与过去的版本相比,收集Tracer数据的效率明显提高。在这个版本中,收集跟踪数据的一般执行时间开销约为25%;而在过去的版本中,这至少是400%;
    • 新版跟踪文件中包含了文件和行号信息,使它成为自解释的,这样原始可执行文件在运行跟踪工具时(go tool trace)时变得可有可无。
    • go tool trace工具支持将大的tracer数据文件进行分割,以避免触及浏览器的viewer的限制。
    • 追踪文件的格式在这个版本中有所改变,但仍然可以读取早期版本的追踪文件。
    • net/http/pprof包中增加Trace handler以支持在/debug/pprof/trace上处理Trace请求。
  • Go 1.8版本中,go tool trace增加一个-pprof的标志位,支持将tracer数据转换为pprof格式兼容的数据:

$go tool trace -pprof=TYPE trace.out > TYPE.pprof

同时,在trace查看视图中,GC事件展示更为清晰,GC活动在其自己的单独的行上显示,并且辅助GC的goroutine也会被标记上其在GC过程中的角色。

  • Go 1.9版本中runtime/trace包支持显示GC标记辅助事件,这些事件表明当一个应用程序的goroutine因为分配速度过快而被迫辅助垃圾收集。”sweep”事件现在包含了为分配寻找空闲空间的整个过程,而不是仅记录被sweep的每个单独跨度。这减少了追踪分配量大的程序时的分配延迟。sweep事件支持显示有多少字节被sweep,有多少字节被真正回收。

  • Go 1.11版本在runtime/trace包中支持用户自定义应用层事件,包括:user task和user region。一旦定义,这些事件就可以和原生事件一样在go tool trace中以图形化的方式展示出来。

  • Go 1.12版本中,go tool trace支持绘制Minimum mutator utilization的曲线,这些对于分析垃圾收集器对应用程序延迟和吞吐量的影响很有用。

2. 为Go应用添加Tracer

Go为在Go应用中添加Tracer提供了三种方法,我们逐一看一下。

1) 手工通过runtime/trace包在Go应用中开启和关闭Tracer

无论使用哪一种方法,runtime/trace包都是基础与核心。我们可以直接使用runtime/trace包提供的API在Go应用中手工开启和关闭Tracer:

package main

import (
    "os"
    "runtime/trace"
)

func main() {
    trace.Start(os.Stdout)
    defer trace.Stop()
    // 下面是业务代码
    ... ...
}

上面代码中,我们通过trace.Start开启Tracer,并在程序结束时通过trace.Stop停止Tracer,Tracer收集到的数据输出到os.Stdout(标准输出)上,我们可以将其重定向到一个文件中保存,我们亦可以向trace.Start传入一个文件的句柄,让Tracer将数据直接写到文件中,就像下面这样:

func main() {
    f, _ := os.Create("trace.out")
    defer f.Close()
    trace.Start(f)
    defer trace.Stop()
    // 下面是业务代码
    ... ...
}

从代码来看,Tracer是支持动态开启的,但要注意的是每次开启都要对应一个独立的文件。如果多次开启后将数据(续)写入同一文件,那么go tool trace在读取该文件时会报类似如下错误:

$go tool trace trace.out
2021/06/23 05:50:01 Parsing trace...
failed to parse trace: unknown event type 50 at offset 0x73c

2) 通过net/http/pprof提供基于http进行数据传输的Tracer服务

如果一个Go应用通过net/http/pprof包提供对pprof采样的支持,那么我们就可以像获取cpu或heap profile数据那样,通过/debug/pprof/trace端点来开启Tracer并获取Tracer数据:

$wget -O trace.out http://localhost:6060/debug/pprof/trace?seconds=5

net/http/pprof包中的Trace函数负责处理发向/debug/pprof/trace端点的http请求,见下面代码:

// $GOROOT/src/net/http/pprof/pprof.go

func Trace(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    w.Header().Set("X-Content-Type-Options", "nosniff")
    sec, err := strconv.ParseFloat(r.FormValue("seconds"), 64)
    if sec <= 0 || err != nil {
        sec = 1
    }

    if durationExceedsWriteTimeout(r, sec) {
        serveError(w, http.StatusBadRequest, "profile duration exceeds server's WriteTimeout")
        return
    }

    // Set Content Type assuming trace.Start will work,
    // because if it does it starts writing.
    w.Header().Set("Content-Type", "application/octet-stream")
    w.Header().Set("Content-Disposition", `attachment; filename="trace"`)
    if err := trace.Start(w); err != nil {
        // trace.Start failed, so no writes yet.
        serveError(w, http.StatusInternalServerError,
            fmt.Sprintf("Could not enable tracing: %s", err))
        return
    }
    sleep(r, time.Duration(sec*float64(time.Second)))
    trace.Stop()
}

我们看到在该处理函数中,函数开启了Tracer:trace.Start,并直接将w作为io.Writer的实现者传给了trace.Start函数,接下来Tracer采集的数据便会源源不断地通过http应答发回客户端,处理完后,Trace函数关闭了Tracer。

我们看到通过这种方式实现的动态开关Tracer是相对理想的一种方式,生产环境可以采用这种方式,这样可以将Tracer带来的开销限制在最小范围。

3) 通过go test -trace获取Tracer数据

如果要在测试执行时开启Tracer,我们可以通过go test -trace来实现:

$go test -trace trace.out ./...

命令执行结束后,trace.out中便存储了测试执行过程中的Tracer数据,后续我们可以用go tool trace对其进行展示和分析。

3. Tracer数据分析

有了Tracer输出的数据后,我们接下来便可以使用go tool trace工具对存储Tracer数据的文件进行分析了:

$go tool trace trace.out

go tool trace会解析并验证Tracer输出的数据文件,如果数据无误,它接下来会在默认浏览器中建立新的页面并加载和渲染这些数据,如下图所示:


图4:go tool trace打开的Tracer数据分析首页

我们看到首页显示了多个数据分析的超链接,每个链接将打开一个分析视图,其中:

  • View trace:以图形页面的形式渲染和展示tracer的数据(见上面的图3),这也是我们最为关注/最常用的功能;
  • Goroutine analysis:以表的形式记录执行同一个函数的多个goroutine的各项trace数据,下图5中的表格记录的是同执行main.createColWorkers.func1的8个goroutine的各项数据:


图5:Goroutine analysis的各个子页面

  • Network blocking profile:用pprof profile形式的调用关系图展示网络I/O阻塞的情况
  • Synchronization blocking profile:用pprof profile形式的调用关系图展示同步阻塞耗时情况
  • Syscall blocking profile:用pprof profile形式的调用关系图展示系统调用阻塞耗时情况
  • Scheduler latency profile:用pprof profile形式的调用关系图展示调度器延迟情况
  • User-defined tasks和User-defined regions:用户自定义trace的task和region
  • Minimum mutator utilization:分析GC对应用延迟和吞吐影响情况的曲线图

通常我们最为关注的是View trace和Goroutine analysis,下面将详细说说这两项的用法。

目前关于Go Execution Tracer的官方文档资料十分稀缺,尤其是对go tool trace分析tracer数据过程中的各个视图的资料更是少之又少,网上能看到的也多是第三方在使用go tool trace过程中积累的“经验资料”。

1) View trace

点击“View trace”进入Tracer数据分析视图,见下图6:


图6:View trace视图

View trace视图是基于google的trace-viewer实现的,其大体上可分为四个区域:

  • 时间线(timeline)

时间线为View trace提供了时间参照系,View trace的时间线始于Tracer开启时,各个区域记录的事件的时间都是基于时间线的起始时间的相对时间

时间线的时间精度最高为纳秒,但View trace视图支持自由缩放时间线的时间标尺,我们可以在秒、毫秒的“宏观尺度”查看全局,就像上面图6中那样;我们亦可以将时间标尺缩放到微秒、纳秒的“微观尺度”来查看某一个极短暂事件的细节:


图7:在微秒的微观尺度查看短暂事件

如果Tracer跟踪时间较长,trace.out文件较大,go tool trace会将View trace按时间段进行划分,避免触碰到trace-viewer的限制:


图8:View trace按时间段划分

View trace使用快捷键来缩放时间线标尺:w键用于放大(从秒向纳秒缩放),s键用于缩小标尺(从纳秒向秒缩放)。我们同样可以通过快捷键在时间线上左右移动:s键用于左移,d键用于右移。如果你记不住这些快捷键,可以点击View trace视图右上角的问号?按钮,浏览器将弹出View trace操作帮助对话框:


图9:View trace帮助对话框

View trace视图的所有快捷操作方式都可以在这里查询到。

  • 采样状态区(STATS)

这个区内展示了三个指标:Goroutines、Heap和Threads,某个时间点上的这三个指标的数据是这个时间点上的状态快照采样:

Goroutines:某一时间点上应用中启动的goroutine的数量,当我们点击某个时间点上的goroutines采样状态区域时(我们可以用快捷键m来准确标记出那个时间点),事件详情区会显示当前的goroutines指标采样状态:


图10:某一个时间点上的goroutines指标采样状态

从上图我们看到,那个时间点上共有9个goroutine,8个正在运行,另外1个准备就绪,等待着被调度。处于GCWaiting状态的goroutine数量为0。

而Heap指标则显示了某个时间点上Go应用heap分配情况(包括已经分配的Allocated和下一次GC的目标值NextGC):


图11:某一个时间点上的heap指标采样状态

Threads指标显示了某个时间点上Go应用启动的线程数量情况,事件详情区将显示处于InSyscall(整阻塞在系统调用上)和Running两个状态的线程数量情况:


图12:某一个时间点上的threads指标采样状态

连续的采样数据按时间线排列就描绘出了各个指标的变化趋势情况。

  • P视角区(PROCS)

这里将View trace视图中最大的一块区域称为“P视角区”。这是因为在这个区域,我们能看到Go应用中每个P(Goroutine调度概念中的P)上发生的所有事件,包括:EventProcStart、EventProcStop、EventGoStart、EventGoStop、EventGoPreempt、Goroutine辅助GC的各种事件以及Goroutine的GC阻塞(STW)、系统调用阻塞、网络阻塞以及同步原语阻塞(mutex)等事件。除了每个P上发生的事件,我们还可以看到以单独行显示的GC过程中的所有事件。

另外我们看到每个Proc对应的条带都有两行,上面一行表示的是运行在该P上的Goroutine的主事件,而第二行则是一些其他事件,比如系统调用、运行时事件等,或是goroutine代表运行时完成的一些任务,比如代表GC进行并行标记。下图13展示了每个Proc的条带:


图13:每个Proc对应的条带都有两行

我们放大图像,看看Proc对应的条带的细节:


图14:每个Proc对应的条带细节

我们以上图中的proc4中的一段条带为例,这里包含三个事件。在条带的两行中的第一行的事件表示的是G1这个goroutine被调度到P4上进行运行,当我们选中该事件后,我们在事件详情区可以看到关于该事件的详细信息:

- Title:事件的可读名称;
- Start:事件的开始时间,相对于时间线上的起始时间;
- Wall Duration:这个事件的持续时间,这里表示的是G1在P4上此次持续执行的时间;
- Start Stack Trace:当P4开始执行G1时G1的调用栈;
- End Stack Trace:当P4结束执行G1时G1的调用栈;从上面End Stack Trace栈顶的函数为runtime.asyncPreempt来看,该Goroutine G1是被强行抢占了,这样P4才结束了其运行;
- Incoming flow:触发P4执行G1的事件;
- Outgoing flow:触发G1结束在P4上执行的事件;
- Preceding events:与G1这个goroutine相关的之前的所有的事件;
- Follwing events:与G1这个goroutine相关的之后的所有的事件
- All connected:与G1这个goroutine相关的所有事件。

proc4条带的第二行按顺序先后发生了两个事件,一个是stw,即GC暂停所有goroutine执行;另外一个是让G1这个goroutine辅助执行GC过程的并发标记(可能是G1分配内存较多较快,GC选择让其交出部分算力做gc标记)。

通过上面描述,我们可以看到通过P视角区我们可以可视化地显示整个程序(每个Proc)在程序执行的时间线上的全部情况,尤其是按时间线顺序显示每个P上运行的各个goroutine(每个goroutine都有唯一独立的颜色)相关的事件的细节。

P视角区显式的各个事件间存在关联关系,我们可以通过视图上方的”flow events”按钮打开关联事件流,这样在图中我们就能看到某个事件的前后关联事件关系了(如下图15):


图15:关联事件流

  • 事件详情区

View trace视图的最下方为“事件详情区”,当我们点选某个事件后,关于该事件的详细信息便会在这个区域显示出来,就像上面图14那样。

在宏观尺度上,每个P条带的第二行的事件因为持续事件较短而多呈现为一条竖线,我们点选这些事件不是很容易。点选这些事件的方法,要么将图像放大,要么通过左箭头或右箭头两个键盘键顺序选取,选取后可以通过m键显式标记出这个事件(再次敲击m键取消标记)。

2) Goroutine analysis

就像前面图5中展示的Goroutine analysis的各个子页面那样,Goroutine analysis为我们提供了从G视角看Go应用执行的图景。

点击图5中位于表第一列中的任一个Goroutine id,我们将进入Go视角视图:


图16:Goroutine analysis提供的G视角视图

我们看到与View trace不同,这次页面中最广阔的区域提供的G视角视图,而不再是P视角视图。在这个视图中,每个G都会对应一个单独的条带(和P视角视图一样,每个条带都有两行),通过这一条带我们可以按时间线看到这个G的全部执行情况。通常我们仅需在goroutine analysis的表格页面找出执行最快和最慢的两个goroutine,在Go视角视图中沿着时间线对它们进行对比,以试图找出执行慢的goroutine究竟出了什么问题。

4. 实例理解

下面用一个实例理解一下Go Execution Tracer帮我们解决问题的过程。编写这样的例子不易,恰之前Francesc Campoy在其justforfun专栏中曾举过一个可用于Tracer的不错的例子,这里借用一下^_^。

Francesc Campoy举的是一个生成分形图片的例子,第一版代码如下:

// main.go
package main

import (
    "image"
    "image/color"
    "image/png"
    "log"
    "os"
    "runtime/trace"
)

const (
    output     = "out.png"
    width      = 2048
    height     = 2048
    numWorkers = 8
)

func main() {
    trace.Start(os.Stdout)
    defer trace.Stop()

    f, err := os.Create(output)
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    img := createSeq(width, height)

    if err = png.Encode(f, img); err != nil {
        log.Fatal(err)
    }
}

// createSeq fills one pixel at a time.
func createSeq(width, height int) image.Image {
    m := image.NewGray(image.Rect(0, 0, width, height))
    for i := 0; i < width; i++ {
        for j := 0; j < height; j++ {
            m.Set(i, j, pixel(i, j, width, height))
        }
    }
    return m
}

// pixel returns the color of a Mandelbrot fractal at the given point.
func pixel(i, j, width, height int) color.Color {
    // Play with this constant to increase the complexity of the fractal.
    // In the justforfunc.com video this was set to 4.
    const complexity = 1024

    xi := norm(i, width, -1.0, 2)
    yi := norm(j, height, -1, 1)

    const maxI = 1000
    x, y := 0., 0.

    for i := 0; (x*x+y*y < complexity) && i < maxI; i++ {
        x, y = x*x-y*y+xi, 2*x*y+yi
    }

    return color.Gray{uint8(x)}
}

func norm(x, total int, min, max float64) float64 {
    return (max-min)*float64(x)/float64(total) - max
}

这一版代码通过pixel函数算出待输出图片中的每个像素值,这版代码即便不用pprof也基本能定位出来程序热点在pixel这个关键路径上的函数上,更精确的位置是pixel中的那个循环。那么如何优化呢?pprof已经没招了,我们用Tracer来看看:

$go build main.go
$./main > seq.trace
$go tool trace seq.trace

go tool trace展示的View trace视图如下:


图17:示例第一版代码的View trace视图

通过上面View trace视图,我们一眼便可以看到这一版程序仅利用了机器上多个cpu core中的一个core,其余的cpu core处于空闲状态。

之后作者给出极端的并发方案,即每个像素点计算都对应启动一个新goroutine(用下面的createPixcel替换上面main.go中的createSeq):

func createPixel(width, height int) image.Image {
    m := image.NewGray(image.Rect(0, 0, width, height))
    var w sync.WaitGroup
    w.Add(width * height)
    for i := 0; i < width; i++ {
        for j := 0; j < height; j++ {
            go func(i, j int) {
                m.Set(i, j, pixel(i, j, width, height))
                w.Done()
            }(i, j)
        }
    }
    w.Wait()
    return m
}

这一版的程序执行性能的确有提升,并且充分利用了cpu,查看其Tracer数据(由于这一版的Tracer数据文件pixel.trace较大,需要一段时间的等待)如下:


图18:示例第二版代码的View trace视图

以261.954ms附近的事件数据为例,我们看到系统的8个cpu core都满负荷运转,但从goroutine的状态采集数据看到,仅有7个goroutine处于运行状态,而有21971个goroutine正在等待被调度,这给go运行时的调度带去很大压力;另外由于这一版代码创建了2048×2048个goroutine(400多w个),导致内存分配频繁,给GC造成很大压力,从视图上来看,每个Goroutine似乎都在辅助GC做并行标记。由此可见,我们不能创建这么多goroutine,于是作者又给出了第三版代码,仅创建2048个goroutine,每个goroutine负责一列像素的生成(用下面createCol替换createPixel):

// createCol creates one goroutine per column.
func createCol(width, height int) image.Image {
    m := image.NewGray(image.Rect(0, 0, width, height))
    var w sync.WaitGroup
    w.Add(width)
    for i := 0; i < width; i++ {
        go func(i int) {
            for j := 0; j < height; j++ {
                m.Set(i, j, pixel(i, j, width, height))
            }
            w.Done()
        }(i)
    }
    w.Wait()
    return m
}

这一版代码的效果十分理想!性能提升近5倍。还可以再优化么?于是作者又实现了一版基于Worker并发模式的代码:

// createWorkers creates numWorkers workers and uses a channel to pass each pixel.
func createWorkers(width, height int) image.Image {
    m := image.NewGray(image.Rect(0, 0, width, height))

    type px struct{ x, y int }
    c := make(chan px)

    var w sync.WaitGroup
    for n := 0; n < numWorkers; n++ {
        w.Add(1)
        go func() {
            for px := range c {
                m.Set(px.x, px.y, pixel(px.x, px.y, width, height))
            }
            w.Done()
        }()
    }

    for i := 0; i < width; i++ {
        for j := 0; j < height; j++ {
            c <- px{i, j}
        }
    }
    close(c)
    w.Wait()
    return m
}

作者的机器是8核主机,于是它预创建了8个worker goroutine,主goroutine通过一个channel c向各个goroutine派发工作。但作者并没有看到预期的性能,其性能还不如每个像素一个goroutine的版本。查看Tracer情况如下(这一版代码的Tracer数据更多,解析和加载时间更长):


图19:示例第四版代码的View trace视图

我们看到适当放大后的View trace视图,我们看到了很多大段的Proc暂停以及不计其数的小段暂停,显然goroutine发生阻塞了,我们接下来通过Synchronization blocking profile查看究竟在哪里阻塞时间最长:


图20:示例第四版代码的Synchronization blocking profile

我们看到在channel接收上所有goroutine一共等待了近60s。从这版代码来看,main goroutine要进行近400多w次发送,而其他8个worker goroutine都得耐心阻塞在channel接收上等待,这样的结构显然不够优化,即便将channel换成带缓冲的也依然不够理想。

作者想到了createCol的思路,即不将每个像素点作为一个task发给worker,而是将一个列作为一个工作单元发送给worker,每个worker完成一个列像素的计算,这样我们来到了最终版代码(使用下面的createColWorkersBuffered替换createWorkers):

func createColWorkersBuffered(width, height int) image.Image {
    m := image.NewGray(image.Rect(0, 0, width, height))

    c := make(chan int, width)

    var w sync.WaitGroup
    for n := 0; n < numWorkers; n++ {
        w.Add(1)
        go func() {
            for i := range c {
                for j := 0; j < height; j++ {
                    m.Set(i, j, pixel(i, j, width, height))
                }
            }
            w.Done()
        }()
    }

    for i := 0; i < width; i++ {
        c <- i
    }

    close(c)
    w.Wait()
    return m
}

这版代码的确是所有版本中性能最好的,其Tracer的View trace视图如下:


图21:示例最终版代码View trace视图

这几乎就是一幅完美的View trace视图!

5. 小结

Go Execution Tracer不是银弹,它不能帮你解决Go程序中的所有问题。通常对Go应用做性能分析时,我们都会使用pprof先找热点,等消除热点后,再用Go Execution Tracer通盘查看整个Go应用中goroutine的执行情况,通过View trace或Goroutine analysis找出“诡异点”并进行细致分析。

Go应用的并行性、延迟、goroutine阻塞等方面问题是Go Execution Tracer擅长的“主战场”。

6. 参考资料

  • 《Go Execution Tracer设计文档》 – https://docs.google.com/document/d/1CvAClvFfyA5R-PhYUmn5OOQtYMH4h6I0nSsKchNAySU/preview
  • Go应用诊断 – https://tip.golang.org/doc/diagnostics#execution-tracer
  • 《Go tool trace介绍》 – https://about.sourcegraph.com/go/an-introduction-to-go-tool-trace-rhys-hiltner/
  • 《Go execution tracer》 – https://blog.gopheracademy.com/advent-2017/go-execution-tracer/
  • 《go tool trace》- https://making.pusher.com/go-tool-trace/

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通过实例理解Go逃逸分析

本文永久链接 – https://tonybai.com/2021/05/24/understand-go-escape-analysis-by-example

翻看了一下自己的Go文章归档,发现自己从未专门写过有关Go逃逸分析(escape analysis)的文章。关于Go变量的逃逸分析,大多数Gopher其实并不用关心,甚至可以无视。但是如果你将Go应用于性能敏感的领域,要完全压榨出Go应用的性能,那么理解Go逃逸分析就大有裨益了。在本文,我们就一起来理解一下Go的逃逸分析。

1. 逃逸分析(escape analysis)要解决的问题

C/C++语言出身的程序员对堆内存(heap)和栈内存(stack)都有着“泾渭分明”的理解。在操作系统演化出现进程虚拟内存地址(virtual memory address)的概念后,如下图所示,应用程序的虚拟内存地址空间就被划分为堆内存区(如图中的heap)和栈内存区(如图中的stack):


图:一个进程的虚拟内存地址空间(图来自https://dave.cheney.net/2014/06/07/five-things-that-make-go-fast)

在x86平台linux操作系统下,如上图,一般将栈内存区放在高地址,栈向下延伸;而堆内存去放在低地址,堆向上延伸,这样做的好处就是便于堆和栈可动态共享那段内存区域。

这是否意味着所有分配在堆内存区域的内存对象地址一定比分配在栈内存区域的内存对象地址要小呢?在C/C++中是这样的,但是在Go语言中,这是不一定的,因为go堆内存所使用的内存页(page)与goroutine的栈所使用的内存页是交织在一起的

无论是栈内存还是堆内存,对于应用而言都是合法可用的内存地址空间。之所以将其区分开,是因为应用程序的内存分配和管理的需要。

栈内存上的对象的存储空间是自动分配和销毁的,无需开发人员或编程语言运行时过多参与,比如下面的这段C代码(用C代码更能体现栈内存与堆内存的差别):

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/go-escape-analysis/c/cstack.c

#include <stdio.h>

void bar() {
    int e = 31;
    int f = 32;
    printf("e = %d\n", e);
    printf("f = %d\n", f);
}

void foo() {
    int c = 21;
    int d = 22;
    printf("c = %d\n", c);
    printf("d = %d\n", d);
}

int main() {
    int a = 11;
    int b = 12;
    printf("a = %d\n", a);
    printf("b = %d\n", b);
    foo();
    bar();
}

上面这段c程序算上main函数共有三个函数,每个函数中都有两个整型变量,C编译器自动为这些变量在栈内存上分配空间,我们无需考虑它什么时候被创建以及何时被销毁,我们只需在特定的作用域(其所在函数内部)使用它即可,而无需担心其内存地址不合法,因此这些被分配在栈内存上的变量也被称为“自动变量”。但是如果将其地址返回到函数的外部,那么函数外部的代码通过解引用而访问这些变量时便会出错,如下面示例:

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/go-escape-analysis/c/cstack_coredump.c

#include <stdio.h>

int *foo() {
    int c = 11;
    return &c;
}

int main() {
    int *p = foo();
    printf("the return value of foo = %d\n", *p);
}

如代码所示,在上面这个例子中,我们将foo函数内的自动变量c的地址通过函数返回值返回给foo函数的调用者(main)了,这样当我们在main函数中引用该地址输出该变量值的时候,我们就会收到异常,比如在ubuntu上运行上述程序,我们会得到如下结果(在macos上运行,gcc会给出相同的警告,但程序运行不会dump core):

# gcc cstack_dumpcore.c
cstack_dumpcore.c: In function ‘foo’:
cstack_dumpcore.c:5:12: warning: function returns address of local variable [-Wreturn-local-addr]
     return &c;
            ^~
# ./a.out
Segmentation fault (core dumped)

这样一来我们就需要一种内存对象,可以在全局(跨函数间)合法使用,这就是堆内存对象。但是和位于栈上的内存对象由程序自行创建销毁不同,堆内存对象需要通过专用API手工分配和释放,在C中对应的分配和释放方法就是malloc和free:

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/go-escape-analysis/c/cheap.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int *foo() {
    int *c = malloc(sizeof(int));
    *c = 12;
    return c;
}

int main() {
    int *p = foo();
    printf("the return value of foo = %d\n", *p);
    free(p);
}

在这个示例中我们使用malloc在foo函数中分配了一个堆内存对象,并将该对象返回给main函数,main函数使用完该对象后调用了free函数手工释放了该堆内存块。

显然和自动变量相比,堆内存对象的生命周期管理将会给开发人员带来很大的心智负担。为了降低这方面的心智负担,带有GC(垃圾回收)的编程语言出现了,比如Java、Go等。这些带有GC的编程语言会对位于堆上的对象进行自动管理。当某个对象不可达时(即没有其对象引用它时),它将会被回收并被重用。

但GC的出现虽然降低了开发人员在内存管理方面的心智负担,但GC不是免费的,它给程序带来的性能损耗是不可忽视的,尤其是当堆内存上有大量待扫描的堆内存对象时,将会给GC带来过大的压力,从而使得GC占用更多本应用于处理业务逻辑的计算和存储资源。于是人们开始想方法尽量减少在堆上的内存分配,可以在栈上分配的变量尽量留在栈上。

逃逸分析(escape analysis)就是在程序编译阶段根据程序代码中的数据流,对代码中哪些变量需要在栈上分配,哪些变量需要在堆上分配进行静态分析的方法。一个理想的逃逸分析算法自然是能将那些人们认为需要分配在栈上的变量尽可能保留在栈上,尽可能少的“逃逸”到堆上的算法。但这太过理想,各种语言都有自己的特殊情况,各种语言的逃逸算法的精确度实际都会受到这方面的影响。

2. Go语言的逃逸分析

Go从诞生那天起,逃逸分析就始终伴随其左右。正如上面说到的逃逸分析的目标,Go编译器使用逃逸分析来决定哪些变量应该在goroutine的栈上分配,哪些变量应该在堆上分配。

截至目前,Go一共有两个版本的逃逸分析实现,分水岭在Go 1.13版本。Go 1.13版本之前是Go逃逸分析的第一版实现,位于Go源码的src/cmd/compile/internal/gc/esc.go中(以go 1.12.7版本为例),代码规模2400多行;Go 1.13版本中加入了由Matthew Dempsky重写的第二版逃逸分析,并默认开启,可以通过-gcflags=”-m -newescape=false”恢复到使用第一版逃逸分析。之所以重写,主要是考虑第一版代码的可读性和可维护性问题,新版代码主要位于Go项目源码的src/cmd/compile/internal/gc/escape.go中,它将逃逸分析代码从上一版的2400多行缩减为1600多行,并作了更为完整文档和注释。但注意的是新版代码在算法精确性上并没有质的变化

但即便如此,经过了这么多年的“修修补补”,Dmitry Vyukov 2015年提出的那些“Go Escape Analysis Flaws”多数已经fix了。Go项目中内置了对逃逸分析的详尽的测试代码(位于Go项目下的test/escape*.go文件中)。

在新版逃逸分析实现的注释中($GOROOT/src/cmd/compile/internal/gc/escape.go),我们可以大致了解逃逸分析的实现原理。注释中的原理说明中提到了算法基于的两个不变性:

  1. 指向栈对象的指针不能存储在堆中(pointers to stack objects cannot be stored in the heap);
  2. 指向栈对象的指针不能超过该栈对象的存活期(即指针不能在栈对象被销毁后依旧存活)(pointers to a stack object cannot outlive that object)。

源码注释中也给出Go逃逸分析的大致原理和过程。Go逃逸分析的输入是Go编译器解析了Go源文件后所获得的整个程序的抽象语法树(Abstract syntax tree,AST):

源码解析后得到的代码AST的Node切片为xtop:

// $GOROOT/src/cmd/compile/internal/gc/go.go
var xtop []*Node

在Main函数中,xtop被传入逃逸分析的入口函数escapes:

// $GOROOT/src/cmd/compile/internal/gc/main.go

// Main parses flags and Go source files specified in the command-line
// arguments, type-checks the parsed Go package, compiles functions to machine
// code, and finally writes the compiled package definition to disk.
func Main(archInit func(*Arch)) {
    ... ...
    // Phase 6: Escape analysis.
    // Required for moving heap allocations onto stack,
    // which in turn is required by the closure implementation,
    // which stores the addresses of stack variables into the closure.
    // If the closure does not escape, it needs to be on the stack
    // or else the stack copier will not update it.
    // Large values are also moved off stack in escape analysis;
    // because large values may contain pointers, it must happen early.
    timings.Start("fe", "escapes")
    escapes(xtop)
    ... ...
}

下面是escapes函数的实现:

// $GOROOT/src/cmd/compile/internal/gc/esc.go
func escapes(all []*Node) {
    visitBottomUp(all, escapeFuncs)
}

// $GOROOT/src/cmd/compile/internal/gc/scc.go
// 强连接node - 一个数据结构
func visitBottomUp(list []*Node, analyze func(list []*Node, recursive bool)) {
    var v bottomUpVisitor
    v.analyze = analyze
    v.nodeID = make(map[*Node]uint32)
    for _, n := range list {
        if n.Op == ODCLFUNC && !n.Func.IsHiddenClosure() {
            v.visit(n)
        }
    }
}

// $GOROOT/src/cmd/compile/internal/gc/escape.go

// escapeFuncs performs escape analysis on a minimal batch of
// functions.
func escapeFuncs(fns []*Node, recursive bool) {
    for _, fn := range fns {
        if fn.Op != ODCLFUNC {
            Fatalf("unexpected node: %v", fn)
        }
    }

    var e Escape
    e.heapLoc.escapes = true

    // Construct data-flow graph from syntax trees.
    for _, fn := range fns {
        e.initFunc(fn)
    }
    for _, fn := range fns {
        e.walkFunc(fn)
    }
    e.curfn = nil

    e.walkAll()
    e.finish(fns)
}

根据注释,escapes的大致原理是(直译):

  • 首先,构建一个有向加权图,其中顶点(称为”location”,由gc.EscLocation表示)代表由语句和表达式分配的变量,而边(gc.EscEdge)代表变量之间的赋值(权重代表寻址/取地址次数)。
  • 接下来,遍历(visitBottomUp)该有向加权图,在图中寻找可能违反上述两个不变量条件的赋值路径。 违反上述不变量的赋值路径。如果一个变量v的地址是储存在堆或其他可能会超过它的存活期的地方,那么v就会被标记为需要在堆上分配。
  • 为了支持函数间的分析,算法还记录了从每个函数的参数到堆的数据流以及到其结果的数据流。算法将这些信息称为“参数标签(parameter tag)”。这些标签信息在静态调用时使用,以改善对函数参数的逃逸分析。

当然即便看到这,你可能依旧一头雾水,没关系,这里不是讲解逃逸分析原理,如果想了解原理,那就请认真阅读那2400多行代码。

注:有一点需要明确,那就是静态逃逸分析也无法确定的对象会被放置在堆上,后续精确的GC会处理这些对象,这样最大程度保证了代码的安全性。

3. Go逃逸分析的示例

Go工具链提供了查看逃逸分析过程的方法,我们可以通过在-gcflags中使用-m来让Go编译器输出逃逸分析的过程,下面是一些典型的示例。

1) 简单原生类型变量的逃逸分析

我们来看一个原生整型变量的逃逸分析过程,下面是示例的代码:

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/go-escape-analysis/go/int.go
     1  package main
     2
     3  import "testing"
     4
     5  func foo() {
     6      a := 11
     7      p := new(int)
     8      *p = 12
     9      println("addr of a is", &a)
    10      println("addr that p point to is", p)
    11  }
    12
    13  func bar() (*int, *int) {
    14      m := 21
    15      n := 22
    16      println("addr of m is", &m)
    17      println("addr of n is", &n)
    18      return &m, &n
    19  }
    20
    21  func main() {
    22      println(int(testing.AllocsPerRun(1, foo)))
    23      println(int(testing.AllocsPerRun(1, func() {
    24          bar()
    25      })))
    26  }

我们通过-gcflags “-m -l”来执行逃逸分析,之所以传入-l是为了关闭inline,屏蔽掉inline对这个过程以及最终代码生成的影响:

// go 1.16版本 on MacOS
$go build -gcflags "-m -l" int.go
# command-line-arguments
./int.go:7:10: new(int) does not escape
./int.go:14:2: moved to heap: m
./int.go:15:2: moved to heap: n
./int.go:23:38: func literal does not escape

逃逸分析的结果与我们手工分析的一致:函数bar中的m、n逃逸到heap(对应上面输出的有moved to heap: xx字样的行),这两个变量将在heap上被分配存储空间。而函数foo中的a以及指针p指向的内存块都在栈上分配(即便我们是调用的new创建的int对象,Go中new出来的对象可不一定分配在堆上,逃逸分析的输出日志中还专门提及new(int)没有逃逸)。我们执行一下该示例(执行时同样传入-l关闭inline):

$go run -gcflags "-l" int.go
addr of a is 0xc000074860
addr that p point to is 0xc000074868
addr of a is 0xc000074860
addr that p point to is 0xc000074868
0
addr of m is 0xc0000160e0
addr of n is 0xc0000160e8
addr of m is 0xc0000160f0
addr of n is 0xc0000160f8
2

首先,我们看到未逃逸的a和p指向的内存块的地址区域在0xc000074860~0xc000074868;而逃逸的m和n被分配到了堆内存空间,从输出的结果来看在0xc0000160e0~0xc0000160e8。我们可以明显看到这是两块不同的内存地址空间;另外通过testing包的AllocsPerRun的输出,我们同样印证了函数bar中执行了两次堆内存分配动作。

我们再来看看这个代码对应的汇编代码:

$go tool compile -S int.go |grep new
    0x002c 00044 (int.go:14)    CALL    runtime.newobject(SB)
    0x004d 00077 (int.go:15)    CALL    runtime.newobject(SB)
    rel 45+4 t=8 runtime.newobject+0
    rel 78+4 t=8 runtime.newobject+0

我们看到在对应源码的14和15行,汇编调用了runtime.newobject在堆上执行了内存分配动作,这恰是逃逸的m和n声明的位置。从下面newobject代码的实现我们也能看到,它实际上在gc管理的内存上执行了malloc动作:

// $GOROOT/src/runtime/malloc.go

// implementation of new builtin
// compiler (both frontend and SSA backend) knows the signature
// of this function
func newobject(typ *_type) unsafe.Pointer {
    return mallocgc(typ.size, typ, true)
}

2) 切片变量自身和切片元素的逃逸分析

了解过切片实现原理的gopher都知道,切片变量实质上是一个三元组:

//$GOROOT/src/runtime/slice.go

type slice struct {
    array unsafe.Pointer
    len   int
    cap   int
}

其中这个三元组的第一个字段array指向的是切片底层真正存储元素的指针。这样当为一个切片变量分配内存时,便既要考虑切片本身(即上面的slice结构体)在哪里分配,也要考虑切片元素的存储在哪里分配。我们看下面示例:

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/go-escape-analysis/go/slice.go

     1  package main
     2
     3  import (
     4      "reflect"
     5      "unsafe"
     6  )
     7
     8  func noEscapeSliceWithDataInHeap() {
     9      var sl []int
    10      println("addr of local(noescape, data in heap) slice = ", &sl)
    11      printSliceHeader(&sl)
    12      sl = append(sl, 1)
    13      println("append 1")
    14      printSliceHeader(&sl)
    15      println("append 2")
    16      sl = append(sl, 2)
    17      printSliceHeader(&sl)
    18      println("append 3")
    19      sl = append(sl, 3)
    20      printSliceHeader(&sl)
    21      println("append 4")
    22      sl = append(sl, 4)
    23      printSliceHeader(&sl)
    24  }
    25
    26  func noEscapeSliceWithDataInStack() {
    27      var sl = make([]int, 0, 8)     28      println("addr of local(noescape, data in stack) slice = ", &sl)
    29      printSliceHeader(&sl)
    30      sl = append(sl, 1)
    31      println("append 1")
    32      printSliceHeader(&sl)
    33      sl = append(sl, 2)
    34      println("append 2")
    35      printSliceHeader(&sl)
    36  }
    37
    38  func escapeSlice() *[]int {
    39      var sl = make([]int, 0, 8)     40      println("addr of local(escape) slice = ", &sl)
    41      printSliceHeader(&sl)
    42      sl = append(sl, 1)
    43      println("append 1")
    44      printSliceHeader(&sl)
    45      sl = append(sl, 2)
    46      println("append 2")
    47      printSliceHeader(&sl)
    48      return &sl
    49  }
    50
    51  func printSliceHeader(p *[]int) {
    52      ph := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(p))
    53      println("slice data =", unsafe.Pointer(ph.Data))
    54  }
    55
    56  func main() {
    57      noEscapeSliceWithDataInHeap()
    58      noEscapeSliceWithDataInStack()
    59      escapeSlice()
    60  }

对上述示例运行逃逸分析:

$go build -gcflags "-m -l" slice.go
# command-line-arguments
./slice.go:51:23: p does not escape
./slice.go:27:15: make([]int, 0, 8) does not escape
./slice.go:39:6: moved to heap: sl
./slice.go:39:15: make([]int, 0, 8) escapes to heap

我们从输出的信息中看到:

  • 位于39行的escapeSlice函数中的sl逃逸到堆上了;
  • 位于39行的escapeSlice函数中的切片sl的元素也逃逸到堆上了;
  • 位于27行的切片sl的元素没有逃逸。

由于很难看到三个函数中各个切片的元素是否逃逸,我们通过运行该示例来看一下:

$go run -gcflags " -l" slice.go
addr of local(noescape, data in heap) slice =  0xc00006af48
slice data = 0x0
append 1
slice data = 0xc0000160c0
append 2
slice data = 0xc0000160d0
append 3
slice data = 0xc0000140c0
append 4
slice data = 0xc0000140c0

addr of local(noescape, data in stack) slice =  0xc00006af48
slice data = 0xc00006af08
append 1
slice data = 0xc00006af08
append 2
slice data = 0xc00006af08

addr of local(escape) slice =  0xc00000c030
slice data = 0xc00001a100
append 1
slice data = 0xc00001a100
append 2
slice data = 0xc00001a100

注:我们利用reflect包的SliceHeader输出切片三元组中的代表底层数组地址的字段,这里是slice data。

我们看到:

  • 第一个函数noEscapeWithDataInHeap声明了一个空slice,并在后面使用append向切片附加元素。从输出结果来看,slice自身是分配在栈上的,但是运行时在动态扩展切片时,选择了将其元素存储在heap上;
  • 第二个函数noEscapeWithDataInStack直接初始化了一个包含8个元素存储空间的切片,切片自身没有逃逸,并且在附加(append)的元素个数小于等于8个的时候,元素直接使用了为其分配的栈空间;但如果附加的元素超过8个,那么运行时会在堆上分配一个更大的空间并将原栈上的8个元素复制过去,后续该切片的元素就都存储在了堆上。这也是为什么强烈建议在创建 slice 时带上预估的cap参数的原因,不仅减少了堆内存的频繁分配,在切片变量未逃逸的情况下,在cap容量之下,所有元素都分配在栈上,这将提升运行性能。
  • 第三个函数escapeSlice则是切片变量自身以及其元素的存储都在堆上。

3) fmt.Printf系列函数让变量逃逸到堆(heap)上了?

很多人在go项目的issue中反馈fmt.Printf系列函数让变量逃逸到堆上了,情况真的是这样么?我们通过下面示例来看一下:

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/go-escape-analysis/go/printf1.go
     1  package main
     2
     3  import "fmt"
     4
     5  func foo() {
     6      var a int = 66666666
     7      var b int = 77
     8      fmt.Printf("a = %d\n", a)
     9      println("addr of a in foo =", &a)
    10      println("addr of b in foo =", &b)
    11  }
    12
    13  func main() {
    14      foo()
    15  }

注:println和print两个预定义函数并没有像fmt.Printf系列函数的“副作用”,不会影响变量的逃逸性。所以这里使用println来输出变量的实际分配内存地址。

对上面的代码运行逃逸分析:

$go build -gcflags "-m -l" printf1.go
# command-line-arguments
./printf1.go:8:12: ... argument does not escape
./printf1.go:8:13: a escapes to heap

我们看到逃逸分析输出第8行的变量“a escapes to heap”,不过这个“逃逸”有些奇怪,因为按照之前的经验,如果某个变量真实逃逸了,那么逃逸分析会在其声明的那行输出:“moved to heap: xx”字样。而上面这个输出既不是在变量声明的那一行,也没有输出“moved to heap: a”字样,变量a真的逃逸了么?我们运行一下上面示例,看看变量a的地址究竟是在堆上还是栈上:

$go run -gcflags "-l" printf1.go
a = 66666666
addr of a in foo = 0xc000092f50
addr of b in foo = 0xc000092f48

我们看到变量a的地址与未逃逸的变量b的地址都在同一个栈空间,变量a并未逃逸!如果你反编译为汇编,你肯定也看不到runtime.newobject的调用。

那么“./printf1.go:8:13: a escapes to heap”这句的含义究竟是什么呢?显然逃逸分析在这一行是对进入fmt.Printf的数据流的分析,我们修改一下go标准库源码,然后build -a重新编译一下printf1.go,看看在fmt.Printf内部变量的分布情况:

// $GOROOT/src/fmt/print.go

func Printf(format string, a ...interface{}) (n int, err error) {
    // 添加下面四行代码
    for i := 0; i < len(a); i++ {
        println(a[i])
        println(&a[i])
    }
    return Fprintf(os.Stdout, format, a...)
}

重新编译printf1.go并运行编译后的可执行文件(为了避免):

$go build -a -gcflags "-l" printf1.go
$./printf1
(0x10af200,0xc0000160c8)
0xc00006cf58
a = 66666666
addr of a in foo = 0xc00006cf50
addr of b in foo = 0xc00006cf48

我们看到fmt.Printf的实参a在传入后被装箱到一个interface{}类型的形参变量中,而这个形参变量自身则是被分配在栈上的(0xc00006cf58),而通过println输出的该interface{}类型形参变量的类型部分和值部分分别指向0x10af200和0xc0000160c8。显然值部分是在堆内存上分配的。那么“./printf1.go:8:13: a escapes to heap”是否指的是装箱后的值部分在堆上分配呢?这里也不确定。

我们再来看一个例子来对比一下:

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/go-escape-analysis/go/printf2.go
     1  package main
     2
     3  import "fmt"
     4
     5  func foo() {
     6      var a int = 66666666
     7      var b int = 77
     8      fmt.Printf("addr of a in bar = %p\n", &a)
     9      println("addr of a in bar =", &a)
    10      println("addr of b in bar =", &b)
    11  }
    12
    13  func main() {
    14      foo()
    15  }

在printf2.go这个例子中,与printf1.go不同的是我们在foo函数中使用fmt.Printf输出的是变量a的地址:&a。我们运行一下新版逃逸分析:

// go 1.16

$go build -gcflags "-m -l" printf2.go
# command-line-arguments
./printf2.go:6:6: moved to heap: a
./printf2.go:8:12: ... argument does not escape

我们看到位于第6行声明的变量a居然真的逃逸到了堆上。我们运行一下printf2.go:

$go build -a -gcflags "-l" printf2.go
$./printf2
(0x10ab4a0,0xc0000160c8)
0xc00006cf58
addr of a in bar = 0xc0000160c8
addr of a in bar = 0xc0000160c8
addr of b in bar = 0xc00006cf48

我们看到变量a的地址果然与位于栈上的变量b相差很大,应该就是在堆上,那么这样看那些在go项目中提issue的gopher所言不虚。变量a的地址以实参的形式传入fmt.Printf后被装箱到一个interface{}形参变量中,而从结果来看,fmt.Printf真的要求装箱的形参变量的值部分要在堆上分配,但根据逃逸分析不变性,堆上的对象不能存储一个栈上的地址,而这次存储的是a的地址,于是将a判定为逃逸,于是a自身也就被分配到了堆上(0xc0000160c8)。

我们用go 1.12.7运行一下老版的逃逸分析:

// go 1.12.7
$go build -gcflags "-m -l" printf2.go
# command-line-arguments
./printf2.go:8:40: &a escapes to heap
./printf2.go:8:40: &a escapes to heap
./printf2.go:6:6: moved to heap: a
./printf2.go:8:12: foo ... argument does not escape
./printf2.go:9:32: foo &a does not escape
./printf2.go:10:32: foo &b does not escape

老版的逃逸分析给出了更详细的输出,比如:“&a escapes to heap”,其所指想必就是&a被装箱到堆内存上;而println输出&a则无需&a被装箱。但此后对变量a的最终判定为逃逸。

Go核心团队成员Keith Randall对逃逸分析输出的日志给过一个解释,大致意思是:当逃逸分析输出“b escapes to heap”时,意思是指存储在b中的值逃逸到堆上了(当b为指针变量时才有意义),即任何被b引用的对象必须分配在堆上,而b自身则不需要;如果b自身也逃逸到堆上,那么逃逸分析会输出“&b escapes to heap”。

这个问题目前已经没有fix,其核心问题在8618这个issue中。

5. 手动强制避免逃逸

对于printf2.go中的例子,我们确定一定以及肯定:a不需要逃逸。但若使用fmt.Printf,我们无法阻拦a的逃逸。那是否有一种方法可以干扰逃逸分析,使逃逸分析认为需要在堆上分配的内存对象而我们确定认为不需要逃逸的对象避免逃逸呢?在Go运行时代码中,我们发现了一个函数:

// $GOROOT/src/runtime/stubs.go
func noescape(p unsafe.Pointer) unsafe.Pointer {
    x := uintptr(p)
    return unsafe.Pointer(x ^ 0) // 任何数值与0的异或都是原数
}

并且在Go标准库和运行时实现中,该函数得到大量使用。该函数的实现逻辑使得我们传入的指针值与其返回的指针值是一样的。该函数只是通过uintptr做了一次转换,而这次转换将指针转换成了数值,这“切断”了逃逸分析的数据流跟踪,导致传入的指针避免逃逸。

我们看一下下面例子:

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/go-escape-analysis/go/printf3.go
package main

import (
    "fmt"
    "unsafe"
)

func noescape(p unsafe.Pointer) unsafe.Pointer {
    x := uintptr(p)
    return unsafe.Pointer(x ^ 0)
}

func foo() {
    var a int = 66666666
    var b int = 77
    fmt.Printf("addr of a in bar = %p\n", (*int)(noescape(unsafe.Pointer(&a))))
    println("addr of a in bar =", &a)
    println("addr of b in bar =", &b)
}

func main() {
    foo()
}

对该代码实施统一分析:

$go build -gcflags "-m -l" printf3.go

# command-line-arguments
./printf3.go:8:15: p does not escape
./printf3.go:16:12: ... argument does not escape

我们看到a这次没有逃逸。运行一下编译后的可执行文件:

$./printf3
(0x10ab4c0,0xc00009af50)
0xc00009af58
addr of a in bar = 0xc00009af50
addr of a in bar = 0xc00009af50
addr of b in bar = 0xc00009af48

我们看到a没有像printf2.go那样被放在堆上,这次和b一样都是在栈上分配的。并且在fmt.Printf执行的过程中a的栈地址始终是有效的。

曾有一篇通过逃逸分析优化性能的论文《Escape from Escape Analysis of Golang》使用的就是上述noescape函数的思路,有兴趣的童鞋可以自行下载阅读。

6. 小结

通过这篇文章,我们了解到了逃逸分析要解决的问题、Go逃逸分析的现状与简单原理、一些Go逃逸分析的实例以及对逃逸分析输出日志的说明。最后,我们给出一个强制避开逃逸分析的方案,但要谨慎使用。

日常go开发过程,绝大多数情况无需考虑逃逸分析,除非性能敏感的领域。在这些领域,对系统执行热点路径做一次逃逸分析以及相应的优化,可能回带来程序性能的一定提升。

本文涉及的源码可以在这里下载:https://github.com/bigwhite/experiments/blob/master/go-escape-analysis


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