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1. 什么是邊界檢查?
邊界檢查，英文名 Bounds Check Elimination，簡(jiǎn)稱為 BCE。它是 Go 語(yǔ)言中防止數(shù)組、切片越界而導(dǎo)致內(nèi)存不安全的檢查手段。如果檢查下標(biāo)已經(jīng)越界了，就會(huì)產(chǎn)生 Panic。
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邊界檢查使得我們的代碼能夠安全地運(yùn)行，但是另一方面，也使得我們的代碼運(yùn)行效率略微降低。
比如下面這段代碼，會(huì)進(jìn)行三次的邊界檢查
- package main
- func f(s []int) {
- _ = s[0] // 檢查第一次
- _ = s[1] // 檢查第二次
- _ = s[2] // 檢查第三次
- }
- func main() {}
你可能會(huì)好奇了，三次?我是怎么知道它要檢查三次的。
實(shí)際上，你只要在編譯的時(shí)候，加上參數(shù)即可，命令如下
- $ go build -gcflags="-d=ssa/check_bce/debug=1" main.go
- # command-line-arguments
- ./main.go:4:7: Found IsInBounds
- ./main.go:5:7: Found IsInBounds
- ./main.go:6:7: Found IsInBounds
2. 邊界檢查的條件?
并不是所有的對(duì)數(shù)組、切片進(jìn)行索引操作都需要邊界檢查。
比如下面這個(gè)示例，就不需要進(jìn)行邊界檢查，因?yàn)榫幾g器根據(jù)上下文已經(jīng)得知，s 這個(gè)切片的長(zhǎng)度是多少，你的終止索引是多少，立馬就能判斷到底有沒有越界，因此是不需要再進(jìn)行邊界檢查，因?yàn)樵诰幾g的時(shí)候就已經(jīng)知道這個(gè)地方會(huì)不會(huì) panic。
- package main
- func f() {
- s := []int{1,2,3,4}
- _ = s[:9] // 不需要邊界檢查
- }
- func main() {}
因此可以得出結(jié)論，對(duì)于在編譯階段無法判斷是否會(huì)越界的索引操作才會(huì)需要邊界檢查，比如這樣子
- package main
- func f(s []int) {
- _ = s[:9] // 需要邊界檢查
- }
- func main() {}
3. 邊界檢查的特殊案例
3.1 案例一
在如下示例代碼中，由于索引 2 在最前面已經(jīng)檢查過會(huì)不會(huì)越界，因此聰明的編譯器可以推斷出后面的索引 0 和 1 不用再檢查啦
- package main
- func f(s []int) {
- _ = s[2] // 檢查一次
- _ = s[1] // 不會(huì)檢查
- _ = s[0] // 不會(huì)檢查
- }
- func main() {}
3.2 案例二
在下面這個(gè)示例中，可以在邏輯上保證不會(huì)越界的代碼，同樣是不會(huì)進(jìn)行越界檢查的。
- package main
- func f(s []int) {
- for index, _ := range s {
- _ = s[index]
- _ = s[:index+1]
- _ = s[index:len(s)]
- }
- }
- func main() {}
3.3 案例三
在如下示例代碼中，雖然數(shù)組的長(zhǎng)度和容量可以確定，但是索引是通過 rand.Intn() 函數(shù)取得的隨機(jī)數(shù)，在編譯器看來這個(gè)索引值是不確定的，它有可能大于數(shù)組的長(zhǎng)度，也有可能小于數(shù)組的長(zhǎng)度。
因此第一次是需要進(jìn)行檢查的，有了第一次檢查后，第二次索引從邏輯上就能推斷，所以不會(huì)再進(jìn)行邊界檢查。
- package main
- import (
- "math/rand"
- )
- func f() {
- s := make([]int, 3, 3)
- index := rand.Intn(3)
- _ = s[:index] // 第一次檢查
- _ = s[index:] // 不會(huì)檢查
- }
- func main() {}
但如果把上面的代碼稍微改一下，讓切片的長(zhǎng)度和容量變得不一樣，結(jié)果又會(huì)變得不一樣了。
- package main
- import (
- "math/rand"
- )
- func f() {
- s := make([]int, 3, 5)
- index := rand.Intn(3)
- _ = s[:index] // 第一次檢查
- _ = s[index:] // 第二次檢查
- }
- func main() {}
我們只有當(dāng)數(shù)組的長(zhǎng)度和容量相等時(shí)， :index 成立，才能一定能推出 index: 也成立，這樣的話，只要做一次檢查即可
一旦數(shù)組的長(zhǎng)度和容量不相等，那么 index 在編譯器看來是有可能大于數(shù)組長(zhǎng)度的，甚至大于數(shù)組的容量。
我們假設(shè) index 取得的隨機(jī)數(shù)為 4，那么它大于數(shù)組長(zhǎng)度，此時(shí) s[:index] 雖然可以成功，但是 s[index:] 是要失敗的，因此第二次邊界的檢查是有必要的。
你可能會(huì)說， index 不是最大值為 3 嗎?怎么可能是 4呢?
要知道編譯器在編譯的時(shí)候，并不知道 index 的最大值是 3 呢。
小結(jié)一下
當(dāng)數(shù)組的長(zhǎng)度和容量相等時(shí)，s[:index] 成立能夠保證 s[index:] 也成立，因?yàn)橹灰獧z查一次即可
當(dāng)數(shù)組的長(zhǎng)度和容量不等時(shí)，s[:index] 成立不能保證 s[index:] 也成立，因?yàn)橐獧z查兩次才可以
3.4 案例四
有了上面的鋪墊，再來看下面這個(gè)示例，由于數(shù)組是調(diào)用者傳入的參數(shù)，所以編譯器的編譯的時(shí)候無法得知數(shù)組的長(zhǎng)度和容量是否相等，因此只能保險(xiǎn)一點(diǎn)，兩個(gè)都檢查。
- package main
- import (
- "math/rand"
- )
- func f(s []int, index int) {
- _ = s[:index] // 第一次檢查
- _ = s[index:] // 第二次檢查
- }
- func main() {}
但是如果把兩個(gè)表達(dá)式的順序反過來，就只要做一次檢查就行了，原因我就不贅述了。
- package main
- import (
- "math/rand"
- )
- func f(s []int, index int) {
- _ = s[index:] // 第一次檢查
- _ = s[:index] // 不用檢查
- }
- func main() {}
5. 主動(dòng)消除邊界檢查
雖然編譯器已經(jīng)非常努力去消除一些應(yīng)該消除的邊界檢查，但難免會(huì)有一些遺漏。
這就需要"警民合作"，對(duì)于那些編譯器還未考慮到的場(chǎng)景，但開發(fā)者又極力追求程序的運(yùn)行效率的，可以使用一些小技巧給出一些暗示，告訴編譯器哪些地方可以不用做邊界檢查。
比如下面這個(gè)示例，從代碼的邏輯上來說，是完全沒有必要做邊界檢查的，但是編譯器并沒有那么智能，實(shí)際上每個(gè)for循環(huán)，它都要做一次邊界的檢查，非常的浪費(fèi)性能。
- package main
- func f(is []int, bs []byte) {
- if len(is) >= 256 {
- for _, n := range bs {
- _ = is[n] // 每個(gè)循環(huán)都要邊界檢查
- }
- }
- }
- func main() {}
可以試著在 for 循環(huán)前加上這么一句 is = is[:256] 來告訴編譯器新 is 的長(zhǎng)度為 256，最大索引值為 255，不會(huì)超過 byte 的最大值，因?yàn)?is[n] 從邏輯上來說是一定不會(huì)越界的。
- package main
- func f(is []int, bs []byte) {
- if len(is) >= 256 {
- is = is[:256]
- for _, n := range bs {
- _ = is[n] // 不需要做邊界檢查
- }
- }
- }
- func main() {}
6. 寫在最后
本文上面列出的例子并沒有涵蓋標(biāo)準(zhǔn)編譯器支持的所有邊界檢查消除的情形。本文列出的僅僅是一些常見的情形。
盡管標(biāo)準(zhǔn)編譯器中的邊界檢查消除特性依然不是100%完美，但是對(duì)很多常見的情形，它確實(shí)很有效。自從標(biāo)準(zhǔn)編譯器支持此特性以來，在每個(gè)版本更新中，此特性都在不斷地改進(jìn)增強(qiáng)。無需質(zhì)疑，在以后的版本中，標(biāo)準(zhǔn)編譯器會(huì)更加得智能，以至于上面第5個(gè)例子中提供給編譯器的暗示有可能將變得不再必要。謝謝Go語(yǔ)言開發(fā)團(tuán)隊(duì)出色的工作!
7. 參考文檔
https://gfw.go101.org/article/bounds-check-elimination.html
本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「Go編程時(shí)光」，作者寫代碼的明哥。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系Go編程時(shí)光公眾號(hào)。
本文標(biāo)題：這Go的邊界檢查，簡(jiǎn)直讓人抓狂~
URL網(wǎng)址：http://m.fisionsoft.com.cn/article/dhogppj.html
