Go语言中节省内存技巧方法示例

时间:2023-02-02 nil 人气:0

引言

GO虽然不消耗大量内存，但是仍有一些小技巧可以节省内存，良好的编码习惯是每一个程序员都应该具备的素质。

预先分配切片

数组是具有连续内存的相同类型的集合。数组类型定义时要指定长度和元素类型。

因为数组的长度是它们类型的一部分，数组的主要问题是它们大小固定，不能调整。

与数组类型不同，切片类型无需指定长度。切片的声明方式与数组相同，但没有数量元素。

切片是数组的包装器，它们不拥有任何数据——它们是对数组的引用。它们由指向数组的指针、长度及其容量（底层数组中的元素数）组成。

当您向没有足够容量的切片添加一个新值时 - 会创建一个具有更大容量的新数组，并将当前数组中的值复制到新数组中。这会导致不必要的内存分配和 CPU 周期。

为了更好地理解这一点，让我们看一下以下代码段：

func main() {
	var ints []int
	fmt.Printf("Address: %p, Length: %d, Capacity: %d, Values: %v\n", ints, len(ints), cap(ints), ints)
	for i := 0; i < 5; i++ {
		ints = append(ints, i)
		fmt.Printf("Address: %p, Length: %d, Capacity: %d, Values: %v\n", ints, len(ints), cap(ints), ints)
	}
}

结果

Address: 0x0, Length: 0, Capacity: 0, Values: []
Address: 0xc0000160d0, Length: 1, Capacity: 1, Values: [0]
Address: 0xc0000160e0, Length: 2, Capacity: 2, Values: [0 1]
Address: 0xc000020100, Length: 3, Capacity: 4, Values: [0 1 2]
Address: 0xc000020100, Length: 4, Capacity: 4, Values: [0 1 2 3]
Address: 0xc00001a180, Length: 5, Capacity: 8, Values: [0 1 2 3 4]

可以看到第一次声明数组var ints []int的时候，是不给它分配内存的，内存地址为0，大小和容量也都是0 后面每次扩容都是2的倍数，并且每次扩容内存地址都发生了改变。

当容量<1024 时会涨为之前的 2 倍，当容量>=1024时会以 1.25 倍增长。从 Go 1.18 开始，这已经变得更加线性

func BenchmarkPreallocAssign(b *testing.B) {
	ints := make([]int, b.N)
	for i := 0; i < b.N; i++ {
		ints[i] = i
	}
}
func BenchmarkAppend(b *testing.B) {
	var ints []int
	for i := 0; i < b.N; i++ {
		ints = append(ints, i)
	}
}

结果如下

goos: darwin
goarch: amd64
pkg: mygo
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkPreallocAssign-12 321257311 3.609 ns/op 8 B/op 0 allocs/op
BenchmarkAppend-12 183322678 12.37 ns/op 42 B/op 0 allocs/op
PASS
ok mygo 6.236s

由上述基准，我们可以得出结论，将值分配给预分配的切片和将值追加到切片之间是存在很大差异的。预先分配大小可以提速3倍多，而且内存分配也更小。

结构体中的字段顺序

以下面结构体为例

type Post struct {
    IsDraft     bool      // 1 byte
    Title       string    // 16 bytes
    ID          int64     // 8 bytes
    Description string    // 16 bytes
    IsDeleted   bool      // 1 byte
    Author      string    // 16 bytes
    CreatedAt   time.Time // 24 bytes
}
func main(){
    p := Post{}
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(p))
}

上述的输出为 96 字节，而所有字段相加为 82 字节。那额外的 14 个字节是来自哪里呢？

现代 64 位 CPU 以 64 位（8 字节）的块获取数据

第一个周期占用 8 个字节，拉取“IsDraft”字段占用了 1 个字节并且产生 7 个未使用字节。它不能占用“一半”的字段。

第二个和第三个周期取 Title 字符串，第四个周期取 ID，依此类推。到取 IsDeleted 字段时，它使用 1 个字节并有 7 个字节未使用。

对内存节省的关键是按字段占用大小从上到下对字段进行排序。对上述结构进行排序，大小可减少到 88 个字节。最后两个字段 IsDraft 和 IsDeleted 被放在同一个块中，从而将未使用的字节数从 14 (2x7) 减少到 6 (1 x 6)，在此过程中节省了 8 个字节。

type Post struct {
    CreatedAt   time.Time // 24 bytes
    Title       string    // 16 bytes
    Description string    // 16 bytes
    Author      string    // 16 bytes
    ID          int64     // 8 bytes
    IsDraft     bool      // 1 byte
    IsDeleted   bool      // 1 byte
}
func main(){
    p := Post{}
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(p))
}

上述的输出为 88 字节

极端情况

type Post struct {
	IsDraft  bool  // 1 byte
	I64      int64 // 8 bytes
	IsDraft1 bool  // 1 byte
	I641     int64 // 8 bytes
	IsDraft2 bool  // 1 byte
	I642     int64 // 8 bytes
	IsDraft3 bool  // 1 byte
	I643     int64 // 8 bytes
	IsDraft4 bool  // 1 byte
	I644     int64 // 8 bytes
	IsDraft5 bool  // 1 byte
	I645     int64 // 8 bytes
	IsDraft6 bool  // 1 byte
	I646     int64 // 8 bytes
	IsDraft7 bool  // 1 byte
	I647     int64 // 8 bytes
}
type Post1 struct {
	IsDraft  bool  // 1 byte
	IsDraft1 bool  // 1 byte
	IsDraft2 bool  // 1 byte
	IsDraft3 bool  // 1 byte
	IsDraft4 bool  // 1 byte
	IsDraft5 bool  // 1 byte
	IsDraft6 bool  // 1 byte
	IsDraft7 bool  // 1 byte
	I64      int64 // 8 bytes
	I641     int64 // 8 bytes
	I642     int64 // 8 bytes
	I643     int64 // 8 bytes
	I644     int64 // 8 bytes
	I645     int64 // 8 bytes
	I646     int64 // 8 bytes
	I647     int64 // 8 bytes
}

第一个结构体占用128字节，第二个结构体占用72字节。节省空间：(128-72)/129=43.75%.

在 64 位架构上占用小于 8 字节的 Go 类型：

bool: 1 个字节
int8/uint8: 1 个字节
int16/uint16: 2 个字节
int32/uint32/rune: 4 个字节
float32: 4 个字节
byte: 1 个字节

使用 map[string]struct{} 而不是 map[string]bool

Go 没有内置的集合，通常使用 map[string]bool{} 表示集合。尽管它更具可读性（这非常重要），但将其作为一个集合使用是错误的，因为它具有两种状态（假/真）并且与空结构体相比使用了额外的内存。

空结构体 (struct{}) 是没有额外字段的结构类型，占用零字节的存储空间。

func BenchmarkBool(b *testing.B) {
	m := make(map[uint]bool)
	for i := uint(0); i < 100_000_000; i++ {
		m[i] = true
	}
}
func BenchmarkEmptyStruct(b *testing.B) {
	m := make(map[uint]struct{})
	for i := uint(0); i < 100_000_000; i++ {
		m[i] = struct{}{}
	}
}

结果

goos: darwin
goarch: amd64
pkg: mygo
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkBool-12 1 24052439603 ns/op 3766222824 B/op 3902813 allocs/op
BenchmarkEmptyStruct-12 1 22450213018 ns/op 3418648448 B/op 3903556 allocs/op
PASS
ok mygo 46.937s

可以看到执行速度提升了一些，但是效果不太明显。

使用bool值有个好处是查找的时候更方便，从map中取值只需要判断一个值就行了，而使用空结构体则需要判断第二个值

m := make(map[string]bool{})
if m["key"]{
 // Do something
}
v := make(map[string]struct{}{})
if _, ok := v["key"]; ok{
    // Do something
}

参考

【1】Go 中简单的内存节省技巧

【2】Easy memory-saving tricks in Go

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