Go语言汇编优化－蒙卓

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

这个函数很复杂，c=a+b，然后返回。第一步怎么做呢？我把这个函数名搬下来，这个英文SB实际上是告诉汇编器是说这个东西是static base，基于静态地址寻址。刚才讲的TEXT区，这是告诉汇编器说你从这里开始找，不要从别的地方找，汇编器说，行，我直接把地址编进去，就这么简单。还记得例子里刚才我们看到三个参数，abc，都是 int64，一个 int64多少字节？8个字节哈，所以这个栈帧长24个字节。注意这里有对齐的问题，其他平台不一定是24，不过为了简单理解，我把24放到这里来。

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

比如 memmove，Go 内建函数 copy，很简单，把一片数据从原地址挪到目标地址，最简单的做法是一个一个搬，从原地址挪8个字节，再搬8个，存进去，再搬8个字节出来，一直循环完为止。这里面会有什么问题？

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

这种现象叫做CPU流水线堵塞，你搬一个用一个，会造成堵塞。怎么解决这个问题？就是疯狂的从源地址能挪多少挪多少，一次性把所有的数据搬到CPU不同寄存器里，再一次性写到目标地址里面去。这样做就可以避免刚才说的流水线的阻塞问题。

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。

 这个写起来有点复杂，但是最核心的，arm64平台的寄存器很多，32个，减去Go拿来做内部用途的4个，还给你留下28个。所以你可以一次性的搬28乘以8个字节。代码应该这样写。大家还会注意到，这里怎么性能下降了？这就CPU有关系，各个公司实现的CPU不一样，有些公司偷工减料，不巧我碰上了，所以出现这个问题。根据 arm 的说明书说的，访问未对齐地址不会有任何性能惩罚。最后怎么测？找台CPU比较好的来测，最后高通一个哥们儿给我发数据，说这个优化效果很好，都是有提升的。很遗憾，这个patch没有被官方接受，为什么？就是因为开源协议，因为 Go 用BSD，我参考 glib c这个代码，毕竟这个算法不是我想的，天下代码一乱抄，代码都是从别的地方搬过来的，glibc 用的协议是 GPL，Go 的核心开发就说了，这个用GPL，不行。我辩解过 glibc 也是开源，为什么不能用？官方回复就是我们公司BSD和GPL不能互用，所以这个 patch 没有进入 Go 的 master 里面，很遗憾。



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。

https://v.qq.com/x/page/z0679yiemr7.html

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。

有时候你要全局变量那些东西怎么查看？用 eXamine 查看全局变量的地址或者寄存器，以寄存器为主来做这个东西。

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。

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