为了保证程序的执行高效与安全，现代编译器并不会将程序员的代码直接翻译成相应地机器码，它需要做一系列的检查与优化。Go 编译器默认做了很多相关工作，例如未使用的引用包检查、未使用的声明变量检查、有效的括号检查、逃逸分析、内联优化、删除无用代码等。本文重点讨论内联优化相关内容。
内联
在 Go 中，一个 goroutine 会有一个单独的栈，栈又会包含多个栈帧，栈帧是函数调用时在栈上为函数所分配的区域。但其实，函数调用是存在一些固定开销的，例如维护帧指针寄存器 BP、栈溢出检测等。因此，对于一些代码行比较少的函数，编译器倾向于将它们在编译期展开从而消除函数调用，这种行为就是内联。
性能对比 首先，看一下函数内联与非内联的性能差异。
//go:noinline
func maxNoinline(a, b int) int {
if a < b {
return b
}
return a
}
func maxInline(a, b int) int {
if a < b {
return b
}
return a
}
func BenchmarkNoInline(b *testing.B) {
x, y := 1, 2
b.ResetTimer()
for i := 0; i < b.N; i++ {
maxNoinline(x, y)
}
}
func BenchmarkInline(b *testing.B) {
x, y := 1, 2
b.ResetTimer()
for i := 0; i < b.N; i++ {
maxInline(x, y)
}
}
在程序代码中，想要禁止编译器内联优化很简单，在函数定义前一行添加 //go:noinline 即可。以下是性能对比结果
BenchmarkNoInline-8 824031799 1.47 ns/op
BenchmarkInline-8 1000000000 0.255 ns/op
因为函数体内部的执行逻辑非常简单，此时内联与否的性能差异主要体现在函数调用的固定开销上。显而易见，该差异是非常大的。
内联场景
此时，爱思考的读者可能就会产生疑问：既然内联优化效果这么显著，是不是所有的函数调用都可以内联呢？答案是不可以。因为内联，其实就是将一个函数调用原地展开，替换成这个函数的实现。当该函数被多次调用，就会被多次展开，这会增加编译后二进制文件的大小。而非内联函数，只需要保存一份函数体的代码，然后进行调用。所以，在空间上，一般来说使用内联函数会导致生成的可执行文件变大（但需要考虑内联的代码量、调用次数、维护内联关系的开销）。
问题来了，编译器内联优化的选择策略是什么？
package main
func add(a, b int) int {
return a + b
}
func iter(num int) int {
res := 1
for i := 1; i <= num; i++ {
res = add(res, i)
}
return res
}
func main() {
n := 100
_ = iter(n)
}
假设源码文件为 main.go，可通过执行 go build -gcflags="-m -m" main.go 命令查看编译器的优化策略。
$ go build -gcflags="-m -m" main.go
# command-line-arguments
./main.go:3:6: can inline add with cost 4 as: func(int, int) int { return a + b }
./main.go:7:6: cannot inline iter: unhandled op FOR
./main.go:10:12: inlining call to add func(int, int) int { return a + b }
./main.go:15:6: can inline main with cost 67 as: func() { n := 100; _ = iter(n) }
通过以上信息，可知编译器判断 add 函数与 main 函数都可以被内联优化，并将 add 函数内联。同时可以注意到的是，iter 函数由于存在循环语句并不能被内联：cannot inline iter: unhandled op FOR。实际上，除了 for 循环，还有一些情况不会被内联，例如闭包，select，for，defer，go 关键字所开启的新 goroutine 等，详细可见 src/cmd/compile/internal/gc/inl.go 相关内容。
case OCLOSURE,
OCALLPART,
ORANGE,
OFOR,
OFORUNTIL,
OSELECT,
OTYPESW,
OGO,
ODEFER,
ODCLTYPE, // can't print yet
OBREAK,
ORETJMP:
v.reason = "unhandled op " + n.Op.String()
return true
在上文提到过，内联只针对小代码量的函数而言，那么到底是小于多少才算是小代码量呢？
此时，我将上面的 add 函数，更改为如下内容
func add(a, b int) int {
a = a + 1
return a + b
}
执行 go build -gcflags="-m -m" main.go 命令，得到信息
./main.go:3:6: can inline add with cost 9 as: func(int, int) int { a = a + 1; return a + b }
对比之前的信息
./main.go:3:6: can inline add with cost 4 as: func(int, int) int { return a + b }
可以发现，存在 cost 4 与 cost 9 的区别。这里的数值代表的是抽象语法树 AST 的节点，a = a + 1 包含的是 5 个节点。Go 函数中超过 80 个节点的代码量就不再内联。例如，如果在 add 中写入 16 个 a = a + 1，则不再内联。
./main.go:3:6: cannot inline add: function too complex: cost 84 exceeds budget 80
内联表
内联会将函数调用的过程抹掉，这会引入一个新的问题：代码的堆栈信息还能否保证。举个例子，如果程序发生 panic，内联之后的程序，还能否准确的打印出堆栈信息？看以下例子。
package main
func sub(a, b int) {
a = a - b
panic("i am a panic information")
}
func max(a, b int) int {
if a < b {
sub(a, b)
}
return a
}
func main() {
x, y := 1, 2
_ = max(x, y)
}
在该代码样例中，max 函数将被内联。执行程序，输出结果如下
panic: i am a panic information
goroutine 1 [running]:
main.sub(...)
/Users/slp/go/src/workspace/example/main.go:5
main.max(...)
/Users/slp/go/src/workspace/example/main.go:10
main.main()
/Users/slp/go/src/workspace/example/main.go:17 +0x3a
我们可以发现，panic 依然输出了正确的程序堆栈信息，包括源文件位置和行号信息。那，Go 是如何做到的呢？这是由于 Go 内部会为每个存在内联优化的 goroutine 维持一个内联树（inlining tree），该树可通过 go build -gcflags=”-d pctab=pctoinline” main.go 命令查看
funcpctab "".sub [valfunc=pctoinline]
...
wrote 3 bytes to 0xc000082668
00 42 00
funcpctab "".max [valfunc=pctoinline]
...
wrote 7 bytes to 0xc000082f68
00 3c 02 1d 01 09 00
-- inlining tree for "".max:
0 | -1 | "".sub (/Users/slp/go/src/workspace/example/main.go:10:6) pc=59
--
funcpctab "".main [valfunc=pctoinline]
...
wrote 11 bytes to 0xc0004807e8
00 1d 02 01 01 07 04 16 03 0c 00
-- inlining tree for "".main:
0 | -1 | "".max (/Users/slp/go/src/workspace/example/main.go:17:9) pc=30
1 | 0 | "".sub (/Users/slp/go/src/workspace/example/main.go:10:6) pc=29
--
内联控制
Go 程序编译时，默认将进行内联优化。我们可通过 -gcflags=”-l” 选项全局禁用内联，与一个 -l 禁用内联相反，如果传递两个或两个以上的 -l 则会打开内联，并启用更激进的内联策略。如果不想全局范围内禁止优化，则可以在函数定义时添加 //go:noinline 编译指令来阻止编译器内联函数。
文档信息
- 本文作者：Lewin
- 本文链接：https://lewinz.com/2021/07/05/go-inline-optmization/
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