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for-loop 与 json.Unmarshal 性能分析概要

2020-06-09 18:50:02 admin 843

原文地址：[for-loop 与 json.Unmarshal
性能分析概要](https://github.com/EDDYCJY/blog/blob/master/golang/2019-02-17-for-
loop%E4%B8%8Ejson.Unmarshal%E6%80%A7%E8%83%BD%E5%88%86%E6%9E%90%E6%A6%82%E8%A6%81.md)

## 前言

在项目中，常常会遇到循环交换赋值的数据处理场景，尤其是 RPC，数据交互格式要转为 Protobuf，赋值是无法避免的。一般会有如下几种做法：

* for
  * for range
  * json.Marshal/Unmarshal

这时候又面临 “选择困难症”，用哪个好？又想代码量少，又担心性能有没有影响啊...

为了弄清楚这个疑惑，接下来将分别编写三种使用场景。来简单看看它们的性能情况，看看谁更 “好”

## 功能代码

...
    type Person struct {
        Name   string `json:"name"`
        Age    int    `json:"age"`
        Avatar string `json:"avatar"`
        Type   string `json:"type"`
    }
    
    type AgainPerson struct {
        Name   string `json:"name"`
        Age    int    `json:"age"`
        Avatar string `json:"avatar"`
        Type   string `json:"type"`
    }
    
    const MAX = 10000
    
    func InitPerson() []Person {
        var persons []Person
        for i := 0; i < MAX; i++ {
            persons = append(persons, Person{
                Name:   "EDDYCJY",
                Age:    i,
                Avatar: "https://github.com/EDDYCJY",
                Type:   "Person",
            })
        }
    
        return persons
    }
    
    func ForStruct(p []Person, count int) {
        for i := 0; i < count; i++ {
            _, _ = i, p[i]
        }
    }
    
    func ForRangeStruct(p []Person) {
        for i, v := range p {
            _, _ = i, v
        }
    }
    
    func JsonToStruct(data []byte, againPerson []AgainPerson) ([]AgainPerson, error) {
        err := json.Unmarshal(data, &againPerson)
        return againPerson, err
    }
    
    func JsonIteratorToStruct(data []byte, againPerson []AgainPerson) ([]AgainPerson, error) {
        var jsonIter = jsoniter.ConfigCompatibleWithStandardLibrary
        err := jsonIter.Unmarshal(data, &againPerson)
        return againPerson, err
    }

## 测试代码

...
    func BenchmarkForStruct(b *testing.B) {
        person := InitPerson()
        count := len(person)
        b.ResetTimer()
        for i := 0; i < b.N; i++ {
            ForStruct(person, count)
        }
    }
    
    func BenchmarkForRangeStruct(b *testing.B) {
        person := InitPerson()
    
        b.ResetTimer()
        for i := 0; i < b.N; i++ {
            ForRangeStruct(person)
        }
    }
    
    func BenchmarkJsonToStruct(b *testing.B) {
        var (
            person = InitPerson()
            againPersons []AgainPerson
        )
        data, err := json.Marshal(person)
        if err != nil {
            b.Fatalf("json.Marshal err: %v", err)
        }
    
        b.ResetTimer()
        for i := 0; i < b.N; i++ {
            JsonToStruct(data, againPersons)
        }
    }
    
    func BenchmarkJsonIteratorToStruct(b *testing.B) {
        var (
            person = InitPerson()
            againPersons []AgainPerson
        )
        data, err := json.Marshal(person)
        if err != nil {
            b.Fatalf("json.Marshal err: %v", err)
        }
    
        b.ResetTimer()
        for i := 0; i < b.N; i++ {
            JsonIteratorToStruct(data, againPersons)
        }
    }

## 测试结果

BenchmarkForStruct-4                  500000          3289 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
    BenchmarkForRangeStruct-4             200000          9178 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
    BenchmarkJsonToStruct-4                  100      19173117 ns/op     2618509 B/op      40036 allocs/op
    BenchmarkJsonIteratorToStruct-4          300       4116491 ns/op     3694017 B/op      30047 allocs/op

从测试结果来看，性能排名为：for < for range < json-iterator <
encoding/json。接下来我们看看是什么原因导致了这样子的排名？

## 性能对比

image

### for-loop

在测试结果中，`for range` 在性能上相较 `for` 差。这是为什么呢？在这里我们可以参见 `for range` 的
[实现](https://github.com/gcc-
mirror/gcc/blob/master/gcc/go/gofrontend/statements.cc)，伪实现如下：

for_temp := range
    len_temp := len(for_temp)
    for index_temp = 0; index_temp < len_temp; index_temp++ {
        value_temp = for_temp[index_temp]
        index = index_temp
        value = value_temp
        original body
    }

通过分析伪实现，可得知 `for range` 相较 `for` 多做了如下事项

#### Expression

RangeClause = [ ExpressionList "=" | IdentifierList ":=" ] "range" Expression .

在循环开始之前会对范围表达式进行求值，多做了 “解” 表达式的动作，得到了最终的范围值

#### Copy

...
    value_temp = for_temp[index_temp]
    index = index_temp
    value = value_temp
    ...

从伪实现上可以得出，`for range` 始终使用 **值拷贝** 的方式来生成循环变量。通俗来讲，就是在每次循环时，都会对循环变量重新分配

#### 小结

通过上述的分析，可得知其比 `for` 慢的原因是 `for range` 有额外的性能开销，主要为 **值拷贝的动作** 导致的性能下降。这是它慢的原因

那么其实在 `for range` 中，我们可以使用 `_` 和 `T[i]` 也能达到和 `for` 差不多的性能。但这可能不是 `for range`
的设计本意了

### json.Marshal/Unmarshal

#### encoding/json

json 互转是在三种方案中最慢的，这是为什么呢？

众所皆知，官方的 `encoding/json` 标准库，是通过大量反射来实现的。那么 “慢”，也是必然的。可参见下述代码：

...
    func newTypeEncoder(t reflect.Type, allowAddr bool) encoderFunc {
        ...
        switch t.Kind() {
        case reflect.Bool:
            return boolEncoder
        case reflect.Int, reflect.Int8, reflect.Int16, reflect.Int32, reflect.Int64:
            return intEncoder
        case reflect.Uint, reflect.Uint8, reflect.Uint16, reflect.Uint32, reflect.Uint64, reflect.Uintptr:
            return uintEncoder
        case reflect.Float32:
            return float32Encoder
        case reflect.Float64:
            return float64Encoder
        case reflect.String:
            return stringEncoder
        case reflect.Interface:
            return interfaceEncoder
        case reflect.Struct:
            return newStructEncoder(t)
        case reflect.Map:
            return newMapEncoder(t)
        case reflect.Slice:
            return newSliceEncoder(t)
        case reflect.Array:
            return newArrayEncoder(t)
        case reflect.Ptr:
            return newPtrEncoder(t)
        default:
            return unsupportedTypeEncoder
        }
    }

既然官方的标准库存在一定的 “问题”，那么有没有其他解决方法呢？目前在社区里，大多为两类方案。如下：

* 预编译生成代码（提前确定类型），可以解决运行时的反射带来的性能开销。缺点是增加了预生成的步骤
  * 优化序列化的逻辑，性能达到最大化

接下来的实验，我们用第二种方案的库来测试，看看有没有改变。另外也推荐大家了解如下项目：

* [json-iterator/go](https://github.com/json-iterator/go)
  * [mailru/easyjson](https://github.com/mailru/easyjson)
  * [pquerna/ffjson](https://github.com/pquerna/ffjson)

#### json-iterator/go

目前社区较常用的是 json-iterator/go，我们在测试代码中用到了它

它的用法与标准库 100% 兼容，并且性能有较大提升。我们一起粗略的看下是怎么做到的，如下：

##### reflect2

利用 [modern-go/reflect2](https://github.com/modern-go/reflect2) 减少运行时调度开销

...
    type StructDescriptor struct {
        Type   reflect2.Type
        Fields []*Binding
    }
    
    ...
    type Binding struct {
        levels    []int
        Field     reflect2.StructField
        FromNames []string
        ToNames   []string
        Encoder   ValEncoder
        Decoder   ValDecoder
    }
    
    type Extension interface {
        UpdateStructDescriptor(structDescriptor *StructDescriptor)
        CreateMapKeyDecoder(typ reflect2.Type) ValDecoder
        CreateMapKeyEncoder(typ reflect2.Type) ValEncoder
        CreateDecoder(typ reflect2.Type) ValDecoder
        CreateEncoder(typ reflect2.Type) ValEncoder
        DecorateDecoder(typ reflect2.Type, decoder ValDecoder) ValDecoder
        DecorateEncoder(typ reflect2.Type, encoder ValEncoder) ValEncoder
    }

##### struct Encoder/Decoder Cache

类型为 struct 时，只需要反射一次 Name 和 Type，会缓存 struct Encoder 和 Decoder

var typeDecoders = map[string]ValDecoder{}
    var fieldDecoders = map[string]ValDecoder{}
    var typeEncoders = map[string]ValEncoder{}
    var fieldEncoders = map[string]ValEncoder{}
    var extensions = []Extension{}
    
    ....
    
    fieldNames := calcFieldNames(field.Name(), tagParts[0], tag)
    fieldCacheKey := fmt.Sprintf("%s/%s", typ.String(), field.Name())
    decoder := fieldDecoders[fieldCacheKey]
    if decoder == nil {
        decoder = decoderOfType(ctx.append(field.Name()), field.Type())
    }
    encoder := fieldEncoders[fieldCacheKey]
    if encoder == nil {
        encoder = encoderOfType(ctx.append(field.Name()), field.Type())
    }

##### 文本解析优化

#### 小结

相较于官方标准库，第三方库 `json-iterator/go` 在运行时上做的更好。这是它快的原因

有个需要注意的点，在 Go1.10 后 `map` 类型与标准库的已经没有太大的性能差异。但是，例如 `struct` 类型等仍然有较大的性能提高

## 总结

在本文中，我们首先进行了性能测试，再分析了不同方案，得知为什么了快慢的原因。那么最终在选择方案时，可以根据不同的应用场景去抉择：

* 对性能开销有较高要求：选用 `for`，开销最小
  * 中规中矩：选用 `for range`，大对象慎用
  * 量小、占用小、数量可控：选用 `json.Marshal/Unmarshal` 的方案也可以。其 **重复代码** 少，但开销最大

在绝大多数场景中，使用哪种并没有太大的影响。但作为工程师你应当清楚其利弊。以上就是不同的方案 **分析概要** ，希望对你有所帮助 :)

转载文章，原文链接： for-loop 与 json.Unmarshal 性能分析概要

关键字词forloop jsonUnmarshal

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