Go 新的函數呼叫慣例能快多少？

編譯器與執行時期的不斷最佳化，能讓 Go 程式的建置與運作更加絲滑。在 Go 1.18 的 release notes 中，菜刀發現 Go 新的函數呼叫慣例（基於暫存器）將擴充功能支援到 arm64 架構（已支援 amd64），且效能提升10% 以上，值得期待。

本文一起來看下函數呼叫慣例的改變能為 Go 帶來多少收益。

函數呼叫慣例

#在##Go函數呼叫慣例 一文中（建議不熟悉此區塊內容的讀者先讀此文），我們探討Go 語言的函數呼叫慣例。

所謂函數呼叫慣例指的是函數呼叫方與被呼叫方中必須遵守的某種約定，主要包括函數的出入參傳遞方式、傳遞順序等。

參數傳遞方式一般分為兩種情況：暫存器傳遞和堆疊傳遞。

在 Go 1.17 之前，Go 語言為了避免不同 CPU 暫存器之間的差異，所採用的堆疊傳遞。這種方式的最大優點是實現簡單，讓編譯器易於維護。但缺點也顯而易見：會犧牲一些性能。因為 CPU 存取暫存器的速度會遠高於記憶體。

改变

基于性能考虑，寄存器的调用惯例，是大多数语言采纳的方式。Go 也准备做点改变，在 1.17 版本中，对于 linux/amd64, darwin/amd64, windows/amd64 系统，首先实现了新的基于寄存器的调用惯例。

package main

//go:noinline
func add(i, j int) int {
 return i + j
}

func main() {
 add(100, 200)
}

我们在 darwin/amd64 系统上，分别使用 Go 1.17 和 Go 1.16 的代码进行编译，得到它们的汇编语句分别如下。

Go 1.17 汇编语句

$ go version
go version go1.17 darwin/amd64
$ go tool compile -S main.go
"".add STEXT nosplit size=4 args=0x10 locals=0x0 funcid=0x0
 0x0000 00000 (main.go:4) TEXT "".add(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $0-16
 0x0000 00000 (main.go:4) FUNCDATA $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
 0x0000 00000 (main.go:4) FUNCDATA $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
 0x0000 00000 (main.go:4) FUNCDATA $5, "".add.arginfo1(SB)
 0x0000 00000 (main.go:5) ADDQ BX, AX
 0x0003 00003 (main.go:5) RET
 0x0000 48 01 d8 c3                                      H...
"".main STEXT size=54 args=0x0 locals=0x18 funcid=0x0
 0x0000 00000 (main.go:8) TEXT "".main(SB), ABIInternal, $24-0
 0x0000 00000 (main.go:8) CMPQ SP, 16(R14)
 0x0004 00004 (main.go:8) PCDATA $0, $-2
 0x0004 00004 (main.go:8) JLS 47
 0x0006 00006 (main.go:8) PCDATA $0, $-1
 0x0006 00006 (main.go:8) SUBQ $24, SP
 0x000a 00010 (main.go:8) MOVQ BP, 16(SP)
 0x000f 00015 (main.go:8) LEAQ 16(SP), BP
 0x0014 00020 (main.go:8) FUNCDATA $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
 0x0014 00020 (main.go:8) FUNCDATA $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
 0x0014 00020 (main.go:9) MOVL $100, AX
 0x0019 00025 (main.go:9) MOVL $200, BX
 0x001e 00030 (main.go:9) PCDATA $1, $0
 0x001e 00030 (main.go:9) NOP
 0x0020 00032 (main.go:9) CALL "".add(SB)
 0x0025 00037 (main.go:10) MOVQ 16(SP), BP
 0x002a 00042 (main.go:10) ADDQ $24, SP
 0x002e 00046 (main.go:10) RET
 0x002f 00047 (main.go:10) NOP
 0x002f 00047 (main.go:8) PCDATA $1, $-1
 0x002f 00047 (main.go:8) PCDATA $0, $-2
 0x002f 00047 (main.go:8) CALL runtime.morestack_noctxt(SB)
 0x0034 00052 (main.go:8) PCDATA $0, $-1
 0x0034 00052 (main.go:8) JMP 0
 ...

Go 1.16 汇编语句

$ go1.16.4 version
go version go1.16.4 darwin/amd64
$ go1.16.4 tool compile -S main.go
"".add STEXT nosplit size=19 args=0x18 locals=0x0 funcid=0x0
 0x0000 00000 (main.go:4) TEXT "".add(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $0-24
 0x0000 00000 (main.go:4) FUNCDATA $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
 0x0000 00000 (main.go:4) FUNCDATA $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
 0x0000 00000 (main.go:5) MOVQ "".j+16(SP), AX
 0x0005 00005 (main.go:5) MOVQ "".i+8(SP), CX
 0x000a 00010 (main.go:5) ADDQ CX, AX
 0x000d 00013 (main.go:5) MOVQ AX, "".~r2+24(SP)
 0x0012 00018 (main.go:5) RET
 0x0000 48 8b 44 24 10 48 8b 4c 24 08 48 01 c8 48 89 44  H.D$.H.L$.H..H.D
 0x0010 24 18 c3                                         $..
"".main STEXT size=71 args=0x0 locals=0x20 funcid=0x0
 0x0000 00000 (main.go:8) TEXT "".main(SB), ABIInternal, $32-0
 0x0000 00000 (main.go:8) MOVQ (TLS), CX
 0x0009 00009 (main.go:8) CMPQ SP, 16(CX)
 0x000d 00013 (main.go:8) PCDATA $0, $-2
 0x000d 00013 (main.go:8) JLS 64
 0x000f 00015 (main.go:8) PCDATA $0, $-1
 0x000f 00015 (main.go:8) SUBQ $32, SP
 0x0013 00019 (main.go:8) MOVQ BP, 24(SP)
 0x0018 00024 (main.go:8) LEAQ 24(SP), BP
 0x001d 00029 (main.go:8) FUNCDATA $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
 0x001d 00029 (main.go:8) FUNCDATA $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
 0x001d 00029 (main.go:9) MOVQ $100, (SP)
 0x0025 00037 (main.go:9) MOVQ $200, 8(SP)
 0x002e 00046 (main.go:9) PCDATA $1, $0
 0x002e 00046 (main.go:9) CALL "".add(SB)
 0x0033 00051 (main.go:10) MOVQ 24(SP), BP
 0x0038 00056 (main.go:10) ADDQ $32, SP
 0x003c 00060 (main.go:10) RET
 0x003d 00061 (main.go:10) NOP
 0x003d 00061 (main.go:8) PCDATA $1, $-1
 0x003d 00061 (main.go:8) PCDATA $0, $-2
 0x003d 00061 (main.go:8) NOP
 0x0040 00064 (main.go:8) CALL runtime.morestack_noctxt(SB)
 0x0045 00069 (main.go:8) PCDATA $0, $-1
 0x0045 00069 (main.go:8) JMP 0

看到这么多汇编代码，不要紧张。这里我们需要留意的就以下这么几行

// Go 1.17 汇编参数调用代码
"".add STEXT nosplit size=4 args=0x10 locals=0x0 funcid=0x0
...
0x0000 00000 (main.go:5) ADDQ BX, AX
...
"".main STEXT size=54 args=0x0 locals=0x18 funcid=0x0
...
 0x0014 00020 (main.go:9) MOVL $100, AX
 0x0019 00025 (main.go:9) MOVL $200, BX
 0x001e 00030 (main.go:9) PCDATA $1, $0
 0x001e 00030 (main.go:9) NOP
 0x0020 00032 (main.go:9) CALL "".add(SB)
...

// Go 1.16 汇编参数调用代码
"".add STEXT nosplit size=19 args=0x18 locals=0x0 funcid=0x0
...
 0x0000 00000 (main.go:5) MOVQ "".j+16(SP), AX
 0x0005 00005 (main.go:5) MOVQ "".i+8(SP), CX
 0x000a 00010 (main.go:5) ADDQ CX, AX
 0x000d 00013 (main.go:5) MOVQ AX, "".~r2+24(SP)
...
"".main STEXT size=71 args=0x0 locals=0x20 funcid=0x0
...
 0x001d 00029 (main.go:9) MOVQ $100, (SP)
 0x0025 00037 (main.go:9) MOVQ $200, 8(SP)
 0x002e 00046 (main.go:9) PCDATA $1, $0
 0x002e 00046 (main.go:9) CALL "".add(SB)
...

看出差异了吗？

在 Go 1.17 的汇编代码中，参数值 100 和 200 直接基于寄存器 AX 和 BX 来操作。而 Go 1.16 中，参数值是通过指向栈顶的栈指针寄存器SP的偏移量来表示和传递的。

在 Go 1.17 的release notes中，编译器的此项改变会让 Go 程序运行性能和二进制大小两个方面得到优化，

二进制大小

首先，我们比较编译后的二进制大小。

$ go build -o main1.17 main.go
$ go1.16.4 build -o main1.16 main.go
$ ls -al main1.17 main1.16
-rwxr-xr-x  1 slp  staff  1200640 Dec 26 21:09 main1.16
-rwxr-xr-x  1 slp  staff  1142208 Dec 26 21:09 main1.17

可以看出，Go 1.17 基于寄存器传递的函数调用惯例编译出的二进制，相较于 Go 1.16 基于栈传递的减少 4.8% 的大小。

性能

通过 benchmark 比较程序执行效率

// Go 1.17
$ go test -bench=.
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: workspace/add
cpu: Intel(R) Core(TM) i5-8279U CPU @ 2.40GHz
BenchmarkIt-8    918887481          1.257 ns/op
PASS
ok   workspace/add 1.299s

// Go 1.16
$ go1.16.4 test -bench=.
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: workspace/add
cpu: Intel(R) Core(TM) i5-8279U CPU @ 2.40GHz
BenchmarkIt-8    801041754          1.469 ns/op
PASS
ok   workspace/add 1.336s

从 1.469 ns/op 提升至 1.257 ns/op，大约提升了 14%。

总结

我们常谈论到，Go 是在不断优化迭代的，我们值得期待与建设更好的 Go 语言。

為了降低基於堆疊傳遞的效能損耗，從 Go 1.17 起，引入了基於暫存器傳遞的編譯改變，目前只支援 amd64 平台。但在 Go 1.18 中，將擴展對 arm64、ppc64、ppc64le 平台的支援。

如 Go 的 release notes 所述，新的函數呼叫慣例將會帶來兩個面向的提升：編譯後的二進位大小會更小，執行效率會提升。同時，為了保持與現有彙編函數的兼容性，編譯器產生了在新舊呼叫約定之間進行轉換的適配器函數。

以上是Go 新的函數呼叫慣例能快多少？的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！