导语 | 最近，在写Go代码的时候，我发现了其特别有意思的两个奇技淫巧或者黑魔法，若使用得好可以提升性能，用得不好就会招来恶魔，嘿嘿，于是写下这篇文章和大家分享一下。
一、魔法：调用runtime中的私有函数
按照Go的编译约定，代码包内以小写字母开头的函数、变量是私有的：
package test
// 私有
func abs() {}
// 公共
func Abs() {}对于test包中abs函数只能在包内调用，而Abs函数却可以在其它包中导入后使用。
私有变量、方法的意义在于封装：控制内部数据、保证外部交互的一致性。这样既能促进系统运行的可靠性，也能减少使用者的信息负载。
这样的规定对设计、封装良好的包是友好的，但并不是每个人都有这样的能力，另外对于一些特殊的函数，如：runtime中的memmove函数，在有些场景下，确实是需要的。
因此Go在程序链接阶段给开发者打开了一扇窗，即可以通过go:linkname 指令来链接包内的私有函数。
（一）memmove
以memmove为例
（https://github.com/golang/go/blob/1724077b789ad92972ab1ac03788389645306cbb/src/runtime/stubs.go#L111）
如下：
func memmove(to, from unsafe.Pointer, n uintptr)memmove作为runtime中的私有函数，用于任意数据之间的内存拷贝，无视类型信息，直接操作内存，这样的操作在Go中虽然是不提倡的，但是用好了，却也是一把利刃。
新建一个go文件，如runtime.go，并加上如下内容：
//go:noescape
//go:linkname memmove runtime.memmove
//goland:noinspection GoUnusedParameter
func memmove(to unsafe.Pointer, from unsafe.Pointer, n uintptr)把视角放到go:linkname指令上，该指令接受两个参数：
memmove：当前函数名称；
runtime.memmove：对应链接的函数的路径，报名+函数名。
这样，编译器在做链接时就会将当前的memmove函数链接到runtime中的memmove函数， 我们就能使用该函数了。
在平常写代码的时候，我们经常性地需要拷贝字节切片、字符串之间的数据。比如将数据从切片1拷贝到切片2，使用memmove代码如下：
// runtime.go
type GoSlice struct {
Ptr unsafe.Pointer
Len int
Cap int
}
// runtime_test.go
func Test_memmove(t *testing.T) {
src := []byte{1, 2, 3, 4, 5, 6}
dest := make([]byte, 10, 10)
spew.Dump(src)
spew.Dump(dest)
srcp := (*GoSlice)(unsafe.Pointer(&src))
destp := (*GoSlice)(unsafe.Pointer(&dest))
memmove(destp.Ptr, srcp.Ptr, unsafe.Sizeof(byte(0))*6)
spew.Dump(src)
spew.Dump(dest)
}字节切片([]byte)在内存中的形态如GoSlice结构体来所示，Len、Cap分别表示切片长度、容量，字段Ptr指向真实的字节数据。
将两个切片的数据指针以及拷贝长度作为参数传入memmove，数据就能从src拷贝到dest。运行结果如下：
=== RUN Test_memmove
# 拷贝之前
([]uint8) (len=6 cap=6) {
00000000 01 02 03 04 05 06 |......|
}
([]uint8) (len=10 cap=10) {
00000000 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |..........|
}
# 拷贝之后
([]uint8) (len=6 cap=6) {
00000000 01 02 03 04 05 06 |......|
}
([]uint8) (len=10 cap=10) {
00000000 01 02 03 04 05 06 00 00 00 00 |..........|显然，对于切片之间的数据拷贝，标准库提供的copy函数要更加方便一些：
func Test_copy(t *testing.T) {
src := []byte{1, 2, 3, 4, 5, 6}
dest := make([]byte, 10, 10)
spew.Dump(src)
spew.Dump(dest)
copy(dest, src)
spew.Dump(src)
spew.Dump(dest)
}这样也能达到一样的效果，memmove更加适合字符串(string)和数组切片之间的数据拷贝场景，如下：
// runtime.go
type GoString struct {
Ptr unsafe.Pointer
Len int
}
// runtime_test.go
func Test_memmove(t *testing.T) {
str := "pedro"
// 注意：这里的len不能为0，否则数据没有分配，就无法复制
data := make([]byte, 10, 10)
spew.Dump(str)
spew.Dump(data)
memmove((*GoSlice)(unsafe.Pointer(&data)).Ptr, (*GoString)(unsafe.Pointer(&str)).Ptr,
unsafe.Sizeof(byte(0))*5)
spew.Dump(str)
spew.Dump(data)
}类似地，GoString是字符串在内存中的表达形态，通过memmove函数就能快速的将字符数据从字符串拷贝到切片，反之亦然，运行结果如下：
# 拷贝之前
(string) (len=5) "pedro"
([]uint8) (len=10 cap=10) {
00000000 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |..........|
}
# 拷贝之后
(string) (len=5) "pedro"
([]uint8) (len=10 cap=10) {
00000000 70 65 64 72 6f 00 00 00 00 00 |pedro.....|
}（二）growslice
切片是Go中最常用的数据结构之一，对于切片扩容，Go只提供了append函数来隐式的扩容，但内部是通过调用runtime中的growslice（https://github.com/golang/go/blob/1724077b789ad92972ab1ac03788389645306cbb/src/runtime/slice.go#L166）函数来实现的：
func growslice(et *_type, old slice, cap int) slicegrowslice函数接受3个参数：
et：切片容器中的数据类型，如int，_type可以表示Go中的任意类型；
old：旧切片；
cap：扩容后的切片容量。
扩容成功后，返回新的切片。
同样地，使用go:linkname来链接runtime中的growslice函数，如下：
// runtime.go
type GoType struct {
Size uintptr
PtrData uintptr
Hash uint32
Flags uint8
Align uint8
FieldAlign uint8
KindFlags uint8
Traits unsafe.Pointer
GCData *byte
Str int32
PtrToSelf int32
}
// GoEface 本质是 interface
type GoEface struct {
Type *GoType
Value unsafe.Pointer
}
//go:linkname growslice runtime.growslice
//goland:noinspection GoUnusedParameter
func growslice(et *GoType, old GoSlice, cap int) GoSlicegrowslice函数的第一个参数et实际是Go对所有类型的一个抽象数据结构——GoType。
这里引入了Go语言实现机制中的两个重要数据结构：
GoEface：empty interface，即interface{}，空接口；
GoType：Go类型定义数据结构，可用于表示任意类型。
关于GoEface、GoIface、GoType、GoItab都是Go语言实现的核心数据结构，这里的内容很多，感兴趣的可以参考这里 。
这样，我们就能通过调用growslice函数来对切片进行手动扩容了，如下：
// runtime.go
func UnpackType(t reflect.Type) *GoType {
return (*GoType)((*GoEface)(unsafe.Pointer(&t)).Value)
}
// runtime_test.go
func Test_growslice(t *testing.T) {
assert := assert.New(t)
var typeByte = UnpackType(reflect.TypeOf(byte(0)))
spew.Dump(typeByte)
dest := make([]byte, 0, 10)
assert.Equal(len(dest), 0)
assert.Equal(cap(dest), 10)
ds := (*GoSlice)(unsafe.Pointer(&dest))
*ds = growslice(typeByte, *ds, 100)
assert.Equal(len(dest), 0)
assert.Equal(cap(dest), 112)
}由于growslice的参数et类型在runtime中不可见，我们重新定义了GoType来表示，并且通过反射的机制来拿到字节切片中的GoType，然后调用growslice完成扩容工作。
运行程序：
--- PASS: Test_growslice (0.00s)
PASS注意一个点，growslice传入的cap参数是100，但是最后的扩容结果却是112， 这个是因为growslice会做一个roundupsize处理，感兴趣的同学可以参考这里：
（https://draveness.me/golang/docs/part2-foundation/ch03-datastructure/golang-array-and-slice/）
二、魔法：调用C/汇编函数
下面，我们再来看Go的另外一个更加有趣的黑魔法。
（一）cgo
通过cgo，我们可以很方便地在Go中调用C代码，如下：
/*
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
static void* Sbrk(int size) {
void *r = sbrk(size);
if(r == (void *)-1){
return NULL;
}
return r;
}
*/
import "C"
import (
"fmt"
)
func main() {
mem := C.Sbrk(C.int(100))
defer C.free(mem)
fmt.Println(mem)
}运行程序，会得到如下输出：
0xba00000cgo是Go与C之间的桥梁，让Go可以享受C语言强大的系统编程能力，比如这里的sbrk会直接向进程申请一段内存，而这段内存是不受Go GC的影响的，因此我们必须手动地释放(free)掉它。
在一些特殊场景，比如全局缓存，为了避免数据被GC掉而导致缓存失效，那么可以尝试这样使用。
当然，这还不够tricky，别忘了，C语言是可以直接内联汇编的，同样地，我们也可以在Go中内联汇编试试，如下：
/*
#include <stdio.h>
static int Add(int i, int j)
{
int res = 0;
__asm__ ("add %1, %2"
: "=r" (res)
: "r" (i), "0" (j)
);
return res;
}
*/
import "C"
import (
"fmt"
)
func main() {
r := C.Add(C.int(2022), C.int(18))
fmt.Println(r)
}运行程序，可以得到如下输出：
2040cgo虽然给了我们一座桥梁，但付出的代价也不小，具体的缺点可以参考这里（https://cloud.tencent.com/developer/article/1650525）。
（二）汇编
isspace
那么有没有一种方式可以回避掉cgo的缺点，答案自然是可以的。
这个方式其实很容易想到：不使用cgo，而是使用plan9，也就是Go支持的汇编语言。
当然我们不是直接去写汇编，而是将C编译成汇编，然后再转化成plan9与.go代码一起编译。
编译的过程如下图所示：
而且C本身就是汇编的高级抽象，作为目前最强劲性能的存在，这种方式不仅回避了cgo的性能问题， 反而将程序性能提高了。过程如下：
首先，我们定义一个简单的C语言函数isspace(判断字符为空)：
// ./inner/op.h
#ifndef OP_H
#define OP_H
char isspace(char ch);
// ./inner/op.c
#include "op.h"
char isspace(char ch) {
return ch == ' ' || ch == '\r' || ch == '\n' | ch == '\t';
}然后，使用clang将其编译为汇编(注意：是clang)：
$ clang -mno-red-zone -fno-asynchronous-unwind-tables -fno-builtin -fno-exceptions \
-fno-rtti -fno-stack-protector -nostdlib -O3 -msse4 -mavx -mno-avx2 -DUSE_AVX=1 \
-DUSE_AVX2=0 -S ./inner/*.c编译成功后，会在inner文件夹下生成一个op.s汇编文件，大致如下：
.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
.build_version macos, 11, 0
.globl _isspace ## -- Begin function isspace
.p2align 4, 0x90
_isspace: ## @isspace
## %bb.0:
pushq %rbp
movq %rsp, %rbp
movb $1, %al
cmpb $13, %dil
je LBB0_3clang默认生成的汇编是AT&T格式的，这种汇编Go是无法编译的(gccgo 除外)，因此这里有一步转换工作。
负责将AT&T汇编转化成plan9汇编，而二者之间的语法差异其实是比较大的，因此这里借助一个转换asm2asm工具来完成。
将asm2asm clone到本地，然后运行：
$ git clone https://github.com/chenzhuoyu/asm2asm
$ ./tools/asm2asm.py ./op.s ./inner/op.s执行后，会报错。原因在于，Go对于plan9汇编文件需要一个对应的.go声明文件来对应。
我们在./inner/op.h文件中定义了isspace函数，因此需要新建一个同名的op.go文件来声明这个函数：
//go:nosplit
//go:noescape
//goland:noinspection GoUnusedParameter
func __isspace(ch byte) (ret byte)然后再次运行asm2asm工具来生成汇编：
$ ./tools/asm2asm.py ./op.s ./inner/op.s
$ tree .
.
|__ inner
| |__ op.c
| |__ op.h
| |__ op.s
|__ op.go
|__ op.s
|__ op_subr.goasm2asm会生成两个文件：op.s和op_subr.go：
op.s：翻译而来的plan9汇编文件；
op_subr.go：函数调用辅助文件。
生成后，op.go中的__isspace函数就能顺利的链接上对应的汇编代码，并运行，如下：
func Test___isspace(t *testing.T) {
type args struct {
ch byte
}
tests := []struct {
name string
args args
wantRet byte
}{
{
name: "false",
args: args{ch: '0'},
wantRet: 0,
},
{
name: "true",
args: args{ch: '\n'},
wantRet: 1,
},
}
for _, tt := range tests {
t.Run(tt.name, func(t *testing.T) {
if gotRet := __isspace(tt.args.ch); gotRet != tt.wantRet {
t.Errorf("__isspace() = %v, want %v", gotRet, tt.wantRet)
}
})
}
}
// output
=== RUN Test___isspace
=== RUN Test___isspace/false
=== RUN Test___isspace/true
--- PASS: Test___isspace (0.00s)
--- PASS: Test___isspace/false (0.00s)
--- PASS: Test___isspace/true (0.00s)
PASS__isspace顺利运行，并通过了单测。
u32toa_small
一个isspace函数有些简单，无法完全发挥出汇编的能力，下面我们来看一个稍微复杂一点的例子：将整数转化为字符串。
在Go中，整数转化为字符串的方式有多种，比如说：strconv.Itoa函数。
这里，我选择用C来写一个简单的整数转字符串的函数：u32toa_small，然后将其编译为汇编代码供Go调用，并看看二者之间的性能差异。
u32toa_small的实现也比较简单，使用查表法(strconv.Itoa 使用的也是这种方法)，如下：
#include "op.h"
static const char Digits[200] = {
'0', '0', '0', '1', '0', '2', '0', '3', '0', '4', '0', '5', '0', '6', '0', '7', '0', '8', '0', '9',
'1', '0', '1', '1', '1', '2', '1', '3', '1', '4', '1', '5', '1', '6', '1', '7', '1', '8', '1', '9',
'2', '0', '2', '1', '2', '2', '2', '3', '2', '4', '2', '5', '2', '6', '2', '7', '2', '8', '2', '9',
'3', '0', '3', '1', '3', '2', '3', '3', '3', '4', '3', '5', '3', '6', '3', '7', '3', '8', '3', '9',
'4', '0', '4', '1', '4', '2', '4', '3', '4', '4', '4', '5', '4', '6', '4', '7', '4', '8', '4', '9',
'5', '0', '5', '1', '5', '2', '5', '3', '5', '4', '5', '5', '5', '6', '5', '7', '5', '8', '5', '9',
'6', '0', '6', '1', '6', '2', '6', '3', '6', '4', '6', '5', '6', '6', '6', '7', '6', '8', '6', '9',
'7', '0', '7', '1', '7', '2', '7', '3', '7', '4', '7', '5', '7', '6', '7', '7', '7', '8', '7', '9',
'8', '0', '8', '1', '8', '2', '8', '3', '8', '4', '8', '5', '8', '6', '8', '7', '8', '8', '8', '9',
'9', '0', '9', '1', '9', '2', '9', '3', '9', '4', '9', '5', '9', '6', '9', '7', '9', '8', '9', '9',
};
// < 10000
int u32toa_small(char *out, uint32_t val) {
int n = 0;
uint32_t d1 = (val / 100) << 1;
uint32_t d2 = (val % 100) << 1;
/* 1000-th digit */
if (val >= 1000) {
out[n++] = Digits[d1];
}
/* 100-th digit */
if (val >= 100) {
out[n++] = Digits[d1 + 1];
}
/* 10-th digit */
if (val >= 10) {
out[n++] = Digits[d2];
}
/* last digit */
out[n++] = Digits[d2 + 1];
return n;
}然后在op.go中加入对应的__u32toa_small函数：
// < 10000
//go:nosplit
//go:noescape
//goland:noinspection GoUnusedParameter
func __u32toa_small(out *byte, val uint32) (ret int)使用clang重新编译op.c文件，并用asm2asm工具来生成对应的汇编代码(节选部分)：
_u32toa_small:
BYTE $0x55 // pushq %rbp
WORD $0x8948; BYTE $0xe5 // movq %rsp, %rbp
MOVL SI, AX
IMUL3Q $1374389535, AX, AX
SHRQ $37, AX
LEAQ 0(AX)(AX*1), DX
WORD $0xc06b; BYTE $0x64 // imull $100, %eax, %eax
MOVL SI, CX
SUBL AX, CX
ADDQ CX, CX
CMPL SI, $1000
JB LBB1_2
LONG $0x60058d48; WORD $0x0000; BYTE $0x00 // leaq $96(%rip), %rax /* _Digits(%rip) */
MOVB 0(DX)(AX*1), AX
MOVB AX, 0(DI)
MOVL $1, AX
JMP LBB1_3然后在Go中调用该函数：
func Test___u32toa_small(t *testing.T) {
var buf [32]byte
type args struct {
out *byte
val uint32
}
tests := []struct {
name string
args args
wantRet int
}{
{
name: "9999",
args: args{
out: &buf[0],
val: 9999,
},
wantRet: 4,
},
{
name: "1234",
args: args{
out: &buf[0],
val: 1234,
},
wantRet: 4,
},
}
for _, tt := range tests {
t.Run(tt.name, func(t *testing.T) {
got := __u32toa_small(tt.args.out, tt.args.val)
assert.Equalf(t, tt.wantRet, got, "__u32toa_small(%v, %v)", tt.args.out, tt.args.val)
assert.Equalf(t, tt.name, string(buf[:tt.wantRet]), "ret string must equal name")
})
}
}测试成功，__u32toa_small函数不仅成功运行，而且通过了测试。
最后，我们来做一个性能跑分看看__u32toa_small和strconv.Itoa之间的性能差异：
func BenchmarkGoConv(b *testing.B) {
val := int(rand.Int31() % 10000)
b.ResetTimer()
for n := 0; n < b.N; n++ {
strconv.Itoa(val)
}
}
func BenchmarkFastConv(b *testing.B) {
var buf [32]byte
val := uint32(rand.Int31() % 10000)
b.ResetTimer()
for n := 0; n < b.N; n++ {
__u32toa_small(&buf[0], val)
}
}使用go test -bench运行这两个性能测试函数，结果如下：
BenchmarkGoConv
BenchmarkGoConv-12 60740782 19.52 ns/op
BenchmarkFastConv
BenchmarkFastConv-12 122945924 9.455 ns/op从结果中，可以明显看出__u32toa_small优于Itoa，大概有一倍的提升。
总结
至此，Go的两个黑魔法技巧已经介绍完毕了，感兴趣的同学可以自己实践看看。
Go的黑魔法一定程度上都使用了unsafe的能力，这也是Go不提倡的，当然使用unsafe其实就和普通的C代码编写一样，因此也无需有太强的心理负担。
实际上，上述的两种方法都被sonic（https://github.com/bytedance/sonic）用在了生产环境上，而且带来的很大的性能提升，节约大量资源。
因此，当Go现有的标准库无法满足你的需求时，不要受到语言本身的限制，而是用虽然少见但有效的方式去解决它。
希望上面的两个黑魔法能带你对Go不一样的认识。
参考资料：
1.https://github.com/bytedance/sonic
2.https://juejin.cn/post/6974581261192921095
3.https://www.keil.com/support/man/docs/armclang_intro/armclang_intro_ddx1471430827125.htm
4.https://karthikkaranth.me/blog/calling-c-code-from-go/
5.https://chai2010.cn/advanced-go-programming-book/ch2-cgo/ch2-03-cgo-types.html
6.https://blog.youkuaiyun.com/lastsweetop/article/details/78830772
作者简介
pedrogao
腾讯后端工程师
腾讯后端工程师，平平凡凡小码农，普普通通打工人！
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