4.3 编译器的优化与调试

编译器优化在之前的章节我们有提到过，当时我们讲解了局部优化。

本节我们将进行更多的讲解，了解编译器的优化也可以帮助我们提高开发效率，在开发中即解决一些使用问题。

本节代码存放目录为 lesson11

编译器优化技术

编译器优化是指编译器在生成最终的机器代码之前，对代码进行的一系列改进，以提高程序的执行效率或减少内存占用。下面我们将展示几种优化方式以帮助我们思考。

内联展开

内联展开是指将函数调用替换为函数体本身，从而避免函数调用的开销。Go编译器会自动决定是否进行内联展开，通常是针对那些短小、频繁调用的函数。

func add(a, b int) int {
    return a + b
}

func main() {
    result := add(2, 3)  // 编译器可能会将此调用内联展开
    fmt.Println(result)
}

优化后的可能情况：

resultO := 2 + 3
fmt.Println(resultO)

还有可能进一步优化为：
fmt.Println(5)

在上面的代码中，直接将函数调用替换为了2+3，这样肯定是更简单直接的。

循环优化

循环优化包括多种技术，如循环展开、循环合并、循环分割和循环交换等。

• 循环展开：通过展开循环体，减少循环的迭代次数，从而降低循环控制的开销。

• 循环合并：将多个独立的循环合并为一个，以减少循环控制的开销。

• 循环分割：将一个复杂的循环拆分为多个简单的循环，提高并行化的可能性。

• 循环交换：调整循环嵌套的顺序，以提高缓存命中率或并行化。

示例如下所示：

for i := 0; i < 100; i++ {
    // 原始代码
}

编译器可能会将其优化为：

for i := 0; i < 100; i += 2 {
    // 展开后的循环
    // 第1次迭代
    // 第2次迭代
}

死代码消除

编译器会删除那些永远不会执行的代码或对程序结果无影响的代码，从而减少不必要的指令和数据。

示例如下所示：

func main() {
    var x = 10
    if false {
        fmt.Println("This code will never run")
    }
}

编译器会识别并删除if false条件下的代码块，因为它永远不会执行。

常量折叠和传播

编译器会在编译时计算表达式的常量值，并将它们直接替换到代码中，从而减少运行时的计算。

示例如下所示：

const a = 3
const b = 4
const c = a * b // 编译器会将c的值直接替换为12

编译参数与调优

Go编译器提供了一些编译参数，可以帮助开发者控制编译行为，从而进行性能调优或调试。

• -gcflags：可以用来传递编译器的优化标志。例如，go build -gcflags="-N -l"会禁用优化和内联展开，用于调试。

• -ldflags：用于传递给链接器的标志，可以控制最终可执行文件的大小和行为。

• -race：用于检测数据竞争问题，在并发代码中非常有用。

示例如下所示：

go build -gcflags="-N -l" -o example lesson12.go

此命令禁用了优化和内联展开，用于生成更易于调试的代码。

我们来测试一下，首先我们允许优化进行编译，我们查看汇编代码：

go tool objdump -s main example

在输出中我们会找到下面的指令：

MOVD $5, R0

上面的指令就直接将5加载到寄存器，之后进行输出操作。

那么我么再禁用优化后观察一下：

go build -gcflags="-N -l" -o example lesson12.go

我们再次查看汇编代码，会发现之前很多没有的东西都展示出来了，这就说明了这是没有经过优化的。

我们可以看到这样的输出：

MOVD $5, R3
MOVD R3, 40(RSP)

这其实执行的就是：

resultO := 2 + 3

调试编译器行为

调试编译器行为有助于理解编译器如何优化代码，并帮助我们识别潜在的性能问题或不必要的开销。

我们在之前的章节中提到过pprof，这是比较方便的工具，使用也比较简单，可以对照官方示例尝试使用。

另外我们可以通过查看编译器的输出了解更多内容。

• go tool compile -S：生成汇编代码，帮助我们了解编译器的优化决策。

  例如：go tool compile -S lesson12.go

• go tool objdump：反汇编工具，用于分析可执行文件的汇编代码。这我们在上文也讲到过，主要就是用于查看到编译后的汇编代码。

我们还可以使用go build -gcflags="-m"可以让编译器输出优化决策信息，例如是否进行了内联展开，是否消除了某些代码等。

如下所示：

go build -gcflags="-m" lesson12.go

结果输出如下：

# command-line-arguments
./lesson12.go:11:6: can inline add
./lesson12.go:16:15: inlining call to add
./lesson12.go:17:13: inlining call to fmt.Println
./lesson12.go:20:13: inlining call to fmt.Println
./lesson12.go:22:13: inlining call to fmt.Println
./lesson12.go:17:13: ... argument does not escape
./lesson12.go:17:13: result escapes to heap
./lesson12.go:20:13: ... argument does not escape
./lesson12.go:20:13: resultO escapes to heap
./lesson12.go:22:13: ... argument does not escape
./lesson12.go:22:14: c escapes to heap

执行命令后编译器为我们输出了优化决策信息，例如./lesson12.go:11:6: can inline add告诉我们add函数可以被内联处理；c escapes to heap告诉我们c被分配到了堆内存上。

小结

理解编译的优化其实主要是帮助我们了解官方的优化逻辑，这样我们在实际开发的时候就可以按照这种风格去进行，那么我们的程序性能也就可以得到一定的保证。

另外还有一些关于输出包体大小的内容，本书不打算进行讲解。我们认为Go语言的性能以及它所提供的便利，足以弥补了编译包体大小的问题。