Go性能优化小结

1 内存优化

1.1 小对象合并成结构体一次分配，减少内存分配次数

做过C/C++的同学可能知道，小对象在堆上频繁地申请释放，会造成内存碎片（有的叫空洞），导致分配大的对象时无法申请到连续的内存空间，一般建议是采用内存池。Go runtime底层也采用内存池，但每个span大小为4k，同时维护一个cache。cache有一个0到n的list数组，list数组的每个单元挂载的是一个链表，链表的每个节点就是一块可用的内存，同一链表中的所有节点内存块都是大小相等的；但是不同链表的内存大小是不等的，也就是说list数组的一个单元存储的是一类固定大小的内存块，不同单元里存储的内存块大小是不等的。这就说明cache缓存的是不同类大小的内存对象，当然想申请的内存大小最接近于哪类缓存内存块时，就分配哪类内存块。当cache不够再向spanalloc中分配。

建议：小对象合并成结构体一次分配，示意如下：

for k, v := range m {

    k, v := k, v // copy for capturing by the goroutine

    go func() {

        // using k & v

    }()

}

替换为：

for k, v := range m {

    x := struct {k , v string} {k, v} // copy for capturing by the goroutine

    go func() {

        // using x.k & x.v

    }()

}

1.2 缓存区内容一次分配足够大小空间，并适当复用

在协议编解码时，需要频繁地操作[]byte，可以使用bytes.Buffer或其它byte缓存区对象。

建议：bytes.Buffert等通过预先分配足够大的内存，避免当Grow时动态申请内存，这样可以减少内存分配次数。同时对于byte缓存区对象考虑适当地复用。

1.3 slice和map采make创建时，预估大小指定容量

slice和map与数组不一样，不存在固定空间大小，可以根据增加元素来动态扩容。

slice初始会指定一个数组，当对slice进行append等操作时，当容量不够时，会自动扩容：

如果新的大小是当前大小2倍以上，则容量增涨为新的大小；
否而循环以下操作：如果当前容量小于1024，按2倍增加；否则每次按当前容量1/4增涨，直到增涨的容量超过或等新大小。

map的扩容比较复杂，每次扩容会增加到上次容量的2倍。它的结构体中有一个buckets和oldbuckets，用于实现增量扩容：

正常情况下，直接使用buckets，oldbuckets为空；
如果正在扩容，则oldbuckets不为空，buckets是oldbuckets的2倍，

建议：初始化时预估大小指定容量

m := make(map[string]string, 100)

s := make([]string, 0, 100) // 注意：对于slice make时，第二个参数是初始大小，第三个参数才是容量

1.4 长调用栈避免申请较多的临时对象

goroutine的调用栈默认大小是4K（1.7修改为2K），它采用连续栈机制，当栈空间不够时，Go runtime会不动扩容：

当栈空间不够时，按2倍增加，原有栈的变量崆直接copy到新的栈空间，变量指针指向新的空间地址；
退栈会释放栈空间的占用，GC时发现栈空间占用不到1/4时，则栈空间减少一半。

比如栈的最终大小2M，则极端情况下，就会有10次的扩栈操作，这会带来性能下降。

建议：

控制调用栈和函数的复杂度，不要在一个goroutine做完所有逻辑；
如查的确需要长调用栈，而考虑goroutine池化，避免频繁创建goroutine带来栈空间的变化。

1.5 避免频繁创建临时对象

Go在GC时会引发stop the world，即整个情况暂停。虽1.7版本已大幅优化GC性能，1.8甚至量坏情况下GC为100us。但暂停时间还是取决于临时对象的个数，临时对象数量越多，暂停时间可能越长，并消耗CPU。

建议：GC优化方式是尽可能地减少临时对象的个数：

尽量使用局部变量
所多个局部变量合并一个大的结构体或数组，减少扫描对象的次数，一次回尽可能多的内存。

2 并发优化

2.1 高并发的任务处理使用goroutine池

goroutine虽轻量，但对于高并发的轻量任务处理，频繁来创建goroutine来执行，执行效率并不会太高效：

过多的goroutine创建，会影响go runtime对goroutine调度，以及GC消耗；
高并时若出现调用异常阻塞积压，大量的goroutine短时间积压可能导致程序崩溃。

2.2 避免高并发调用同步系统接口

goroutine的实现，是通过同步来模拟异步操作。在如下操作操作不会阻塞go runtime的线程调度：

网络IO
锁
channel
time.sleep
基于底层系统异步调用的Syscall

下面阻塞会创建新的调度线程：

本地IO调用
基于底层系统同步调用的Syscall
CGo方式调用C语言动态库中的调用IO或其它阻塞

网络IO可以基于epoll的异步机制（或kqueue等异步机制），但对于一些系统函数并没有提供异步机制。例如常见的posix api中，对文件的操作就是同步操作。虽有开源的fileepoll来模拟异步文件操作。但Go的Syscall还是依赖底层的操作系统的API。系统API没有异步，Go也做不了异步化处理。

建议：把涉及到同步调用的goroutine，隔离到可控的goroutine中，而不是直接高并的goroutine调用。

2.3 高并发时避免共享对象互斥

传统多线程编程时，当并发冲突在4~8线程时，性能可能会出现拐点。Go中的推荐是不要通过共享内存来通讯，Go创建goroutine非常容易，当大量goroutine共享同一互斥对象时，也会在某一数量的goroutine出在拐点。

建议：goroutine尽量独立，无冲突地执行；若goroutine间存在冲突，则可以采分区来控制goroutine的并发个数，减少同一互斥对象冲突并发数。

3 其它优化

3.1 避免使用CGO或者减少CGO调用次数

GO可以调用C库函数，但Go带有垃圾收集器且Go的栈动态增涨，但这些无法与C无缝地对接。Go的环境转入C代码执行前，必须为C创建一个新的调用栈，把栈变量赋值给C调用栈，调用结束现拷贝回来。而这个调用开销也非常大，需要维护Go与C的调用上下文，两者调用栈的映射。相比直接的GO调用栈，单纯的调用栈可能有2个甚至3个数量级以上。

建议：尽量避免使用CGO，无法避免时，要减少跨CGO的调用次数。

3.2 减少[]byte与string之间转换，尽量采用[]byte来字符串处理

GO里面的string类型是一个不可变类型，不像c++中std:string，可以直接char*取值转化，指向同一地址内容；而GO中[]byte与string底层两个不同的结构，他们之间的转换存在实实在在的值对象拷贝，所以尽量减少这种不必要的转化

建议：存在字符串拼接等处理，尽量采用[]byte，例如：

func Prefix(b []byte) []byte {

    return append([]byte("hello", b...))

}

3.3 字符串的拼接优先考虑bytes.Buffer

由于string类型是一个不可变类型，但拼接会创建新的string。GO中字符串拼接常见有如下几种方式：

string + 操作：导致多次对象的分配与值拷贝
fmt.Sprintf ：会动态解析参数，效率好不哪去
strings.Join ：内部是[]byte的append
bytes.Buffer ：可以预先分配大小，减少对象分配与拷贝

建议：对于高性能要求，优先考虑bytes.Buffer，预先分配大小。非关键路径，视简洁使用。fmt.Sprintf可以简化不同类型转换与拼接。

参考：
1. Go语言内存分配器-FixAlloc
2. https://blog.golang.org/strings