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uragami note

ただの殴り書き

Go言語のヒープに確保するデータの初期化コストについて調べてみた

2014.6.14追記
途中MakeContainer()/MakeContainerOneLine()がごちゃごちゃになっていたのを修正


golangでは、ヒープに置かれるデータの初期化方法によって内部の挙動が若干異なるみたい。
(環境はx86_64、go version 1.2.2)


違いが出たのは以下のコード。
構造体containerをヒープに確保してポインタ型の戻り値を返す関数を、3つの方法で定義している。

// alloc_overhead.go

package main
 
type container struct {
    v [64]byte
}
 
func MakeContainer() *container {
    c := container{}
    return &c
}
 
func MakeContainerOneLine() *container {
    return &container{}
}

func MakeContainerNew() *container {
    return new(container)
}
 
func main() {
    _ = MakeContainer()
    _ = MakeContainerOneLine()
    _ = MakeContainerNew()
}

これを以下のコードでベンチマークをとってみる。

package main
 
import (
    "testing"
)
 
func BenchmarkMakeContainer(b *testing.B) {
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        _ = MakeContainer()
    }
}
 
func BenchmarkMakeContainerOneLine(b *testing.B) {
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        _ = MakeContainerOneLine()
    }
}
 
func BenchmarkMakeContainerNew(b *testing.B) {
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        _ = MakeContainerNew()
    }
}

以下、ベンチマーク結果。

$ go test -bench . 
PASS
BenchmarkMakeContainer          100000000  17.2 ns/op
BenchmarkMakeContainerOneLine    50000000  25.9 ns/op
BenchmarkMakeContainerNew       100000000  13.9 ns/op
ok      _/*/*   4.507s

この結果を見ると、new()するのが最も速く、1行でreturn &container{}した時が最も遅い結果になった。

アセンブラを読んでみた

なぜ速度に違いが出るのか、アセンブラを出力させて読んでみた。
x86_64の場合、アセンブラ

$ go tool 6g -S -S *.go

で出力できる。

以下、出力させたアセンブラから抜粋。(すべてのアセンブラ出力結果はGistを参照)

--- prog list "MakeContainer" ---
0000 (alloc_overhead.go:7) TEXT    MakeContainer+0(SB),$80-8
0001 (alloc_overhead.go:7) FUNCDATA $0,gcargs揃0+0(SB)
0002 (alloc_overhead.go:7) FUNCDATA $1,gclocals揃0+0(SB)
0003 (alloc_overhead.go:7) TYPE    ~anon0+0(FP){*"".container},$8
0004 (alloc_overhead.go:7) TYPE    autotmp_0001+-64(SP){"".container},$64
0005 (alloc_overhead.go:8) MOVQ    $type."".container+0(SB),(SP)
0006 (alloc_overhead.go:8) PCDATA  $0,$16
0007 (alloc_overhead.go:8) CALL    ,runtime.new+0(SB)
0008 (alloc_overhead.go:8) PCDATA  $0,$-1
0009 (alloc_overhead.go:8) MOVQ    8(SP),AX
0010 (alloc_overhead.go:8) LEAQ    statictmp_0002+0(SB),BX       // 初期化データのアドレスをBXに設定
0011 (alloc_overhead.go:8) LEAQ    autotmp_0001+-64(SP),BP
0012 (alloc_overhead.go:8) MOVQ    BP,DI
0013 (alloc_overhead.go:8) MOVQ    BX,SI                // BXを入力に設定
0014 (alloc_overhead.go:8) MOVQ    $8,CX              // 以下3行で64byte分コピー
0015 (alloc_overhead.go:8) REP     ,
0016 (alloc_overhead.go:8) MOVSQ   ,
0017 (alloc_overhead.go:8) MOVQ    AX,DI
0018 (alloc_overhead.go:8) MOVQ    BP,SI                // コピーされたアドレスを今度は入力に設定
0019 (alloc_overhead.go:8) MOVQ    $8,CX              // 以下3行で64byte分コピー
0020 (alloc_overhead.go:8) REP     ,
0021 (alloc_overhead.go:8) MOVSQ   ,
0022 (alloc_overhead.go:9) MOVQ    AX,~anon0+0(FP)
0023 (alloc_overhead.go:9) RET     ,

--- prog list "MakeContainerOneLine" ---
0024 (alloc_overhead.go:12) TEXT    MakeContainerOneLine+0(SB),$16-8
0025 (alloc_overhead.go:12) FUNCDATA $0,gcargs1+0(SB)
0026 (alloc_overhead.go:12) FUNCDATA $1,gclocals1+0(SB)
0027 (alloc_overhead.go:12) TYPE    ~anon0+0(FP){*"".container},$8
0028 (alloc_overhead.go:13) MOVQ    $type."".container+0(SB),(SP)
0029 (alloc_overhead.go:13) PCDATA  $0,$16
0030 (alloc_overhead.go:13) CALL    ,runtime.new+0(SB)
0031 (alloc_overhead.go:13) PCDATA  $0,$-1
0032 (alloc_overhead.go:13) MOVQ    8(SP),BX
0033 (alloc_overhead.go:13) MOVQ    BX,DI
0034 (alloc_overhead.go:13) CMPQ    BX,$0
0035 (alloc_overhead.go:13) JNE     $1,37
0036 (alloc_overhead.go:13) MOVL    AX,(BX)
0037 (alloc_overhead.go:13) MOVQ    $0,AX             // AXに0を設定
0038 (alloc_overhead.go:13) MOVQ    $8,CX             // 以下3行で64byte分0をセット
0039 (alloc_overhead.go:13) REP     ,
0040 (alloc_overhead.go:13) STOSQ   ,
0041 (alloc_overhead.go:13) MOVQ    BX,~anon0+0(FP)
0042 (alloc_overhead.go:13) RET     ,

--- prog list "MakeContainerNew" ---
0043 (alloc_overhead.go:16) TEXT    MakeContainerNew+0(SB),$16-8
0044 (alloc_overhead.go:16) FUNCDATA $0,gcargs2+0(SB)
0045 (alloc_overhead.go:16) FUNCDATA $1,gclocals2+0(SB)
0046 (alloc_overhead.go:16) TYPE    ~anon0+0(FP){*"".container},$8
0047 (alloc_overhead.go:17) MOVQ    $type."".container+0(SB),(SP)
0048 (alloc_overhead.go:17) PCDATA  $0,$16
0049 (alloc_overhead.go:17) CALL    ,runtime.new+0(SB)
0050 (alloc_overhead.go:17) PCDATA  $0,$-1
0051 (alloc_overhead.go:17) MOVQ    8(SP),BX
0052 (alloc_overhead.go:17) MOVQ    BX,~anon0+0(FP)
0053 (alloc_overhead.go:17) RET     ,

このアセンブラ出力を見ると、それぞれデータの生成方法が異なっているようだ。

MakeContainer()では、new()で確保された領域にstatic領域に確保された初期化データ(statictmp)をmemcpy(MOVSQ命令)してデータを生成しているのに対し、
MakeContainerOneLine()では、new()で確保された領域をmemset(STOSQ命令)してデータを生成している。

MakeContainerNew()は1番シンプルで、new()して領域を確保するだけだ。

MakeContainer()の方がMakeContainerOneLine()よりも速い理由は、MOVSQ命令がSTOSQ命令よりも高速に実行できるためだと思う。

Intelx86最適化マニュアル(Table C-16. General Purpose Instructions)を見ると、MOVSBの命令レイテンシが0.5なのに対し、STOSBの命令レイテンシは2と、4倍のレイテンシになっている。(参照箇所が正しいか自信がないが…)
MakeContainer()ではMOVSQ命令が 8 × 2 回、MakeContainerOneLine()ではSTOSQ命令が 8 × 1 回行われている。 そのため、MOVSQ/STOSQ命令がMOVSB/STOSB命令と同じ命令レイテンシだと仮定すると、MakeContainer()は 0.5(MOVSQ) × 2 = 1 、MakeContainerOneLineは 2(STOSQ) × 1 = 2 となり、MakeContainerOneLine()の方が処理時間がかかることになる。

バイナリサイズの違い

MakeContainer()とMakeContainerOneLine()、MakeContainerNew()のそれぞれを使った場合に生成されるバイナリサイズの違いについてだが、MakeContainer()だけが他の2つよりもサイズが大きくなる。

$ ls -l
-rwxr-xr-x  1 ryochack  staff  564960 Jun  8 18:11 MakeContainer*
-rwxr-xr-x  1 ryochack  staff  564912 Jun  8 18:11 MakeContainerNew*
-rwxr-xr-x  1 ryochack  staff  564912 Jun  8 18:11 MakeContainerOneLine*

これは、先ほどに書いたように、MakeContainer()のような以下の書き方をすると、ビルド時に初期化用の値がstatic領域(statictmp)に確保されるためだろう。

以下コマンドでバイナリファイルのデータ配置も見てみたが、MakeContainer()の時のみ statictmp が配置されているのを確認した。

$ go tool 6l -a *.6

まとめ

golangでデータをヒープに確保するときは、内部的にnew()が呼ばれる。
複合リテラル記法を使うと、new()された後に memset/memcpy のいずれかの処理が走る。
おそらく、複合リテラル記法で初期値を指定しないフィールドに関しては、暗示的に0を指定されたことになる。
golangのnew()は、値がゼロ初期化されていることが保証されているので、&container{}みたいな書き方をすると、new()でゼロ初期化された後に再度ゼロが設定される挙動になるようだ。

①new()した後にmemcpy()の挙動。バイナリサイズが他2つよりも大きくなる。②より速く、③より遅い。

func MakeContainer() *container {
    c := container{}
    return &c
}

②new()した後にmemset()の挙動。最も遅い。

func MakeContainerOneLine() *container {
    return &container{}
}

③new()のみの挙動。最も速い。

func MakeContainerNew() *container {
    return new(container)
}

参考

golangでのアセンブラ出力方法について

x86_64の命令セットと最適化マニュアル