[Go语言]binary tree算法的华山论剑

前言

  在benchmarkgame(世界上最火的性能对比网站)上，Go语言一直有一个槽点，就是极其慢的binary tree性能，执行用时40秒 (我的机器上，16秒)，与此对比，Java版本是6秒，那么问题来了：为什么慢得令人发指？我们来深入研究下慢的原因，然后看看能否对其进行改进。

  对于binary tree算法中，最耗性能的地方就是海量的node分配和bottomUpTree()递归函数的调用，与这两项对应的go的特性就是gc的goroutine的堆栈分配。

GC

这个世界没有完美的GC,任何选择都有代价,一般来说就是低延迟和高吞吐的权衡。

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问题描述

   Java采用的是分代GC，优点是node的分配非常轻量，缺点就是分代gc需要使用更多的内存空间，同时当对象被移动到tenured堆时，会发生大量的内存拷贝。

  Go的gc不是分代的，因此在node的分配上需要消耗更多的资源。Go的gc选择了超低的延迟，同时牺牲了部分吞吐，对于绝大多数应用来说，Go的选择是非常正确的，但是对于binary tree这种算法来说，就不是很适合了。

解决方案

  针对GC的优化，有两个通用的解决方案就是提前分配合适的堆栈空间和对象复用。对于binary tree算法，就是Nodes的预先分配和复用。

Goroutine的堆栈

轻量的Goroutine是Go语言的灵魂所在

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问题描述

  为了让goroutine尽可能轻量，go仅仅为每个goroutine分配了2KB的初始堆栈大小，在之后Go会根据需要动态的扩展堆栈大小。同样，对于绝大多数场景，这种选择都是非常正确的，但是针对binary tree算法，这种选择就有了一些问题。

  Go是在每次函数调用之前检查goroutine的堆栈大小，如果发现当前堆栈不够用，就会重新分配一个新的堆栈空间，然后将旧的堆栈拷贝到新的里。这种操作开销是很小的，但是在binary tree中，bottomUpTree()基本上不做什么工作，调用却是极其频繁，这样一来再小的开销累积起来也会非常可观。而且这个函数的调用是深递归，当堆栈需要增长时，可能会拷贝几次，不仅仅是一次！

解决方案

  将bottomUpTree()改为非递归的函数，虽然不易实现，但是还是可以做到的。

新旧Binary tree实现对比

没有对比，就没有伤害！

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旧版本代码链接

运行用时：

 > time go run old.go 20
stretch tree of depth 21     check: -1
2097152  trees of depth 4    check: -2097152
524288   trees of depth 6    check: -524288
131072   trees of depth 8    check: -131072
32768    trees of depth 10   check: -32768
8192     trees of depth 12   check: -8192
2048     trees of depth 14   check: -2048
512  trees of depth 16   check: -512
128  trees of depth 18   check: -128
32   trees of depth 20   check: -32
long lived tree of depth 20  check: -1

real    0m16.279s
user    1m47.569s
sys 0m2.663s

新版本代码链接

运行用时

time go run new.go 20
stretch tree of depth 21     check: -1
2097152  trees of depth 4    check: -2097152
524288   trees of depth 6    check: -524288
131072   trees of depth 8    check: -131072
32768    trees of depth 10   check: -32768
8192     trees of depth 12   check: -8192
2048     trees of depth 14   check: -2048
512  trees of depth 16   check: -512
128  trees of depth 18   check: -128
32   trees of depth 20   check: -32
long lived tree of depth 20  check: -1
dur: 1.71074946s

real    0m1.914s
user    0m10.149s
sys 0m0.157s

结论

  性能从16.28秒提升到了1.91秒，提升巨大！

  这里提出的解决方案看似是针对binary tree，其实对于任何GC语言和使用场景来说都是通用的。

  牢记这两种解决方案吧：

• 内存空间预分配
• 对象复用