《从慢速到SIMD》聊Go边界检查消除
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2024-04-11 10:10
在翻译的从慢速到 SIMD一文中， SourceGraph 工程师其中的一个优化就是边界检查消除(BCE,bounds check elimination)技术，同时他也抛给了读者一个问题：
“为啥在使用
a[i:i+4:i+4]而不是a[i:i+4]?
本文第一部分先回答这个问题。第二部分介绍更好的边界检查消除方法。第三部分再全面梳理 Go 的边界检查消除技术。
为啥在使用 a[i:i+4:i+4] 而不是 a[i:i+4]?
这篇文章发布到几个平台之后，很多 Gopher 都在问这个问题的答案，包括《100 个 Go 语言典型错误》的作者也在 twitter 上询问,再比如Hacker News[1]上的讨论，reddit[2]。
当然，还每看过这篇文章的同学还不明白前因后果，这里我再简单介绍一下。SourceGraph 工程师使用 BCE 做优化，他的代码如下，
func DotBCE(a, b []float32) float32 {
if len(a) != len(b) {
panic("slices must have equal lengths")
}
if len(a)%4 != 0 {
panic("slice length must be multiple of 4")
}
sum := float32(0)
for i := 0; i < len(a); i += 4 {
aTmp := a[i : i+4 : i+4] // <--- 这里会做边界检查
bTmp := b[i : i+4 : i+4] // <--- 这里会做边界检查
s0 := aTmp[0] * bTmp[0] // <--- 这里不会做边界检查
s1 := aTmp[1] * bTmp[1] // <--- 这里不会做边界检查
s2 := aTmp[2] * bTmp[2] // <--- 这里不会做边界检查
s3 := aTmp[3] * bTmp[3] // <--- 这里不会做边界检查
sum += s0 + s1 + s2 + s3
}
return sum
}
注意做边界检查的那两行，它们做了边界检查，新的 slice 的 len 和 cap 都是 4,可以确保aTemp[0]、aTemp[3]、bTemp[0]、bTemp[3]不会越界,所以下面四行不用做边界检查了。不过边界检查少了很多的指令，可以提高性能。
我们怎么知道哪一行做了边界检查呢？可以使用下面的命令编译，会把做边界检查的行数打印出来。
可以看到结果和我们注释中的一样，只在第 14、15 行做了边界检查。
但是话锋一转，SourceGraph 工程师突然问了一个问题：为啥这两行使用 a[i:i+4:i+4] 而不是 a[i:i+4]?
难道a[i:i+4]会导致下面四行做边界检查吗？这个问题让很多人都很好奇，几个论坛上没有答案。我翻译的文章评论中也有小伙伴问这个问题。
首先，我们修改为a[i:i+4]，然后编译，看看结果:
没什么区别，还是在第 14、15 行做了边界检查，接下来四行做了边界检查消除，不一样么？
这个问题 Go101 老貘[3] 在 Twitter 上提了一下，没有展开讲，购买了他的书的同学可以看看那一章：
接下来我从最开始的讨论讲起，那还得从 2018 年的秋天的一个提交讲起。
不想看历史的同学可以直接跳过去，结论就是：这样写不是为了边界检查消除，而是为了性能。
这是一次对image/draw: optimize bounds checks in loops[4]做边界检查的优化:
其中有一行s := spix[i : i+4 : i+4]，Sebastien Binet 提出一个疑问，为啥这里要设置 cap? Brad Fitzpatrick 就说那我移除好了，作者 Ian Davis 说我做了测试，感觉设置 cap 会给编译器提示，性能更好。大家就对这个奇怪的点展开了有趣的讨论，Ian Davis 说如果改成s := spix[i : i+4]虽然对边界检查没有影响，但是性能会下降。Giovanni Bajo 给出了正解:
“If you don't specify the cap, the compiler needs to calculate it computing newcap = oldcap - offset. If you specify it with the same value of len, it does less work.
翻译：如果你不指定 cap，编译器需要计算新的
newcap = oldcap - offset。如果你指定 cap 的值和 len 一样，编译器就可以少做点工作。
Nigel Tao 也指出，这行代码也可以使用_ = spix[i+3]代替。最终这个讨论记录在#27857[5]。
回答 SourceGraph 工程师的问题：为啥在使用 a[i:i+4:i+4] 而不是 a[i:i+4]?
答案是为了更好的性能，而不是为了边界检查消除。
更好的边界检查消除方法
SourceGraph 工程师的代码使用 BCE 做了优化，但是你还是看到，有两行代码还是做了边界检查，这是因为 Go 的 BCE 并不完美，有时候还是会做边界检查。
但是有没有办法全部消除代码的边界检查呢？老貘还是给出了一个解决方案。我们先看看老貘的给出的例子(f8z我略有改动):
可以看到，Go 的 BCE 还不是那么智能，f8x例子中s[i+3]、s[i+2]、s[i+1]不会越界，但是这三行还是做了边界检查。
f8y例子中s[3]做了边界检查后，可以保证s[2]、s[1]、s[0]不会越界，所以这三行不用做边界检查。
f8z例子中，每次循环我们都会检查 s 的长度是否大于 4，如果大于 4，s[3]、s[2]、s[1]、s[0]肯定不会越界，所以这四行不做边界检查，而且s = s[4:]也不会越界。这样这个实现就整体都不需要做边界检查了
所以 SourceGraph 工程师的代码可以改成下面这样:
Go 的边界检查消除技术
老貘在 Go101 中有一章专门讲了这个问题[6]，感兴趣的同学可以直接阅读，或者购买他的电子书。
我想从 Go 实现边界检查消除的提议说起，这个提议是[cmd/compile: unnecessary bounds checks are not removed #14808](https://github.com/golang/go/issues/14808），由Alexandru Moșoi 提出，他专门写了一篇文档Bounds Checking Elimination[7]。
当然 BCE 在 Go 的编译器中也一直做优化，原始的文档整理也不能全面反映现状，但是还是很有意义的，整理的 BCE 技术进行分类便于学习。我就整理翻译一下。
Go 的边界检查有两个:索引a[i]和 slicea[i,j]。Go 编译器在访问这两种方式的时候会插入一些边界检查代码，但是大部分情况下是不需要的，冗余的，我们的目标就是在编译的时候去掉这些冗余的检查，这样能提供性能，检查二进制文件大小。通过-gcflags=-B可以禁止边界检查。
你可以通过go build -gcflags="-d=ssa/check_bce" xxx.go查看哪些行进行了边界检查。
下面是一些进行边界检查消除的场景。
重复检查
比如下面的代码中，重复的索引和切片访问就不做边界检查了。
var a []int
….
_ = a[i] // 边界检查
_ = a[i] // 重复访问，消除边界检查
_ = a[2*i+7] // 边界检查
_ = a[2*i+7] // 重复访问，消除边界检查
var a []int
….
_ = a[:i]
_ = a[:i] // 重复访问，消除边界检查
var a []int
….
_ = a[i:]
_ = a[i:] // 重复访问，消除边界检查
带掩码索引的恒定切片大小
var a[17]int
....
_ = a[i&5] // 0 <= i&5 and i&5 <= 5 < 17 == len(a), 移除边界检查
_ = a[i%5] // 不能移除， 因为i可能是负数， 负数就越界了
常数索引
var a[]int
....
if 5 < len(a) { _ = a[5] } // 0 <= 5 and 5 < len(a), 移除边界检查
这也是上一节我们完全消除边界检查的方式。
常数索引和常数 size
var a[10]int
....
_ = a[5] // 0 <= 5 and 5 < len(a) == 10, 移除边界检查
琐碎的边界检查
a[i:j] 会产生两个边界检查: 0 <= i <= j 和 0 <= j <= cap(a)。有时候我们可以移除它们中的一个。
var a[]int
…
a[i:len(a)] // 第二个边界检查 0 <= len(a) <= cap(a) 移除了
var a[]int
…
a[:len(a)>>1] // 第一个边界检查移除了 0 <= 0 <= len(a)>>1， 因为 len(a)>>1 >= 0
var a[]int
…
a[:len(b)] // 第一个边界检查 0 <= 0 <= len(a) 移除了
基于循环变量的边界检查
var a[]int
…
for i := range a { // 不适用于string
use a[i] // 移除, i 循环变量
use a[i:] // 移除
use a[:i] // 移除
}
var a []int
...
for i := 0; i < len(a); i++ { // 也适用于string
use a[i] // 移除, i 循环变量
use a[i:] // 移除
use a[:i] // 移除
}
var a[]int
…
for i := range a { // 不适用于string
use a[:i+1] // 移除, i 循环变量
use a[i+1:] // 移除
}
递减常量索引
var a[]int
…
_ = a[3] // 一次边界检查
use a[1], a[2], a[3] // 不需要边界检查
// or
a = a[:3:len(a)] // 一次边界检查
use a[0], a[1], a[2] // 不需要边界检查
// or
use a[3], a[2], a[1] // 一次边界检查
// or
if len(a) >= 3 {
use a[0], a[1], a[2] // 一次边界检查
}
不能移除的边界检查
下面这个k8x中第一个a[i]中 i 可能为负数，所以不能移除，接下来的两个可以确保不越界，所以可以移除。
func k8x(a []int, i int, j uint) {
if i < len(a) {
_ = a[i] // 不能移除，因为i可能为负数
}
if j < uint(len(a)) {
_ = a[j] // 移除，因为 0 <= j < len(a)
}
if 0 <= i && i < len(a) {
_ = a[i] // 移除，因为 0 <= i < len(a)
}
}
下面这个k8y中i+2可能溢出，比如i = math.MaxInt, 所以不能移除。
func k8y(a []int, i int) {
if 0 <= i && i+2 < len(a) {
_ = a[i+2] // i+2 might overflow int
}
}
这个文档中有几处场景已经 BCE 已经完善了，我更正过来了，如上。
参考资料 [1]Hacker News: https://news.ycombinator.com/item?id=39106972
[2]reddit: https://www.reddit.com/r/golang/comments/199u7np/from_slow_to_simd_a_go_optimization_story/
[3]Go101 老貘: https://go101.org/
[4]image/draw: optimize bounds checks in loops: https://go-review.googlesource.com/c/go/+/136935
[5]#27857: https://github.com/golang/go/issues/27857
[6]这个问题: https://go101.org/article/bounds-check-elimination.html
[7]cmd/compile: unnecessary bounds checks are not removed #14808: https://docs.google.com/document/d/1vdAEAjYdzjnPA9WDOQ1e4e05cYVMpqSxJYZT33Cqw2g/edit#heading=h.ywknbkyeha6d
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