Go에서 대규모 배열 처리: 범위 또는 루프에 사용하시겠습니까?

우리는 Go의 구문이 비교적 간결하다는 것을 알고 있습니다. C와 유사한 지원을 제공하지 않습니다. <code style='letter-spacing: 1px; word-spacing: 3px; text-align: left; font-size: 14px; overflow-wrap: break-word; padding: 2px 4px; border-radius: 4px; margin-right: 2px; margin-left: 2px; font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace; word-break: break-all; background: rgba(14, 210, 247, 0.15);'><span style="font-size: 15px;">while</span>、<span style="font-size: 15px;">do...while</span> 等循环控制语法，而仅保留了一种语句，即 for 循环。

for i := 0; i < n; i++ {
    ... ...
}

但是，经典的三段式循环语句，需要获取迭代对象的长度 n。鉴于此，为了更方便 Go 开发者对复合数据类型进行迭代，例如 array、slice、channel、map，Go 提供了 for 循环的变体，即 <span style="font-size: 15px;">for range</span>while,

<h2 data-tool="mdnice编辑器" style="margin-top: 30px;margin-bottom: 15px;font-weight: bold;font-size: 22px;border-bottom: 4px solid rgb(160, 249, 176);display: flex;">do...while<span style="width: 100%;display: flex;color: rgba(160, 249, 176);padding: 0.5rem 1rem;border-top-left-radius: 4px;border-top-right-radius: 4px;background: #181a21 !important;"> 및 기타 루프 제어 구문은 for 루프 하나만 유지됩니다.

func main() {
    var a = [5]int{1, 2, 3, 4, 5}
    var r [5]int

    fmt.Println("original a =", a)

    for i, v := range a {
        if i == 0 {
            a[1] = 12
            a[2] = 13
        }
        r[i] = v
    }

    fmt.Println("after for range loop, r =", r)
    fmt.Println("after for range loop, a =", a)
}

그러나 고전적인 3단계 루프 문은 반복 개체의 길이 n을 가져와야 합니다. 이를 고려하여 Go 개발자가 배열, 슬라이스, 채널, 맵과 같은 복합 데이터 유형을 더 쉽게 반복할 수 있도록 Go에서는 for 루프의 변형, 즉 </p>범위용<p data-tool="mdnice编辑器" style="padding-top: 8px;padding-bottom: 8px;line-height: 26px;font-size: 17px;word-spacing: 3px;letter-spacing: 1px;"> 루프.

🎜🎜복사 문제🎜🎜🎜🎜range는 편리함을 제공하지만 Go 초보자에게는 몇 가지 문제를 가져오기도 합니다. 사용자는 한 가지를 이해해야 하기 때문에 범위에 대해서는 개체의 복사본만 루프 식에 참여합니다. 🎜🎜

original a = [1 2 3 4 5]
after for range loop, r = [1 12 13 4 5]
after for range loop, a = [1 12 13 4 5]

🎜🎜이 코드가 다음과 같은 결과를 출력할 것이라고 생각하시나요? 🎜🎜

original a = [1 2 3 4 5]
after for range loop, r = [1 12 13 4 5]
after for range loop, a = [1 12 13 4 5]

但是，实际输出是

original a = [1 2 3 4 5]
after for range loop, r = [1 2 3 4 5]
after for range loop, a = [1 12 13 4 5]

为什么会这样？原因是参与 for range 循环是 range 表达式的副本。也就是说，在上面的例子中，实际上参与循环的是 a 的副本，而不是真正的 a。

为了让大家更容易理解，我们把上面例子中的 for range 循环改写成等效的伪代码形式。

for i, v := range ac { //ac is a value copy of a
    if i == 0 {
        a[1] = 12
        a[2] = 13
    }
    r[i] = v
}

ac 是 Go 临时分配的连续字节序列，与 a 根本不是同一块内存空间。因此，无论 a 如何修改，它参与循环的副本 ac 仍然保持原始值，因此从 ac 中取出的 v 也依然是 a 的原始值，而不是修改后的值。

那么，问题来了，既然 for range 使用的是副本数据，那 for range 会比经典的 for 循环消耗更多的资源并且性能更差吗？

性能对比

基于副本复制问题，我们先使用基准示例来验证一下：对于大型数组，for range 是否一定比经典的 for 循环运行得慢？

package main

import "testing"

func BenchmarkClassicForLoopIntArray(b *testing.B) {
 b.ReportAllocs()
 var arr [100000]int
 for i := 0; i < b.N; i++ {
  for j := 0; j < len(arr); j++ {
   arr[j] = j
  }
 }
}

func BenchmarkForRangeIntArray(b *testing.B) {
 b.ReportAllocs()
 var arr [100000]int
 for i := 0; i < b.N; i++ {
  for j, v := range arr {
   arr[j] = j
   _ = v
  }
 }
}

在这个例子中，我们使用 for 循环和 for range 分别遍历一个包含 10 万个 int 类型元素的数组。让我们看看基准测试的结果

$ go test -bench . forRange1_test.go 
goos: darwin
goarch: amd64
cpu: Intel(R) Core(TM) i5-8279U CPU @ 2.40GHz
BenchmarkClassicForLoopIntArray-8          47404             25486 ns/op               0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkForRangeIntArray-8                37142             31691 ns/op               0 B/op          0 allocs/op
PASS
ok      command-line-arguments  2.978s

从输出结果可以看出，for range 的确会稍劣于 for 循环，当然这其中包含了编译器级别优化的结果（通常是静态单赋值，或者 SSA 链接）。

让我们关闭优化开关，再次运行压力测试。

 $ go test -c -gcflags '-N -l' . -o forRange1.test
 $ ./forRange1.test -test.bench .
 goos: darwin
goarch: amd64
pkg: workspace/example/forRange
cpu: Intel(R) Core(TM) i5-8279U CPU @ 2.40GHz
BenchmarkClassicForLoopIntArray-8           6734            175319 ns/op               0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkForRangeIntArray-8                 5178            242977 ns/op               0 B/op          0 allocs/op
PASS

当没有编译器优化时，两种循环的性能都明显下降， for range 下降得更为明显，性能也更加比经典 for 循环差。

遍历结构体数组

上述性能测试中，我们的遍历对象类型是 int 值的数组，如果我们将 int 元素改为结构体会怎么样？for 和 for range 循环各自表现又会如何？

package main

import "testing"

type U5 struct {
 a, b, c, d, e int
}
type U4 struct {
 a, b, c, d int
}
type U3 struct {
 b, c, d int
}
type U2 struct {
 c, d int
}
type U1 struct {
 d int
}

func BenchmarkClassicForLoopLargeStructArrayU5(b *testing.B) {
 b.ReportAllocs()
 var arr [100000]U5
 for i := 0; i < b.N; i++ {
  for j := 0; j < len(arr)-1; j++ {
   arr[j].d = j
  }
 }
}
func BenchmarkClassicForLoopLargeStructArrayU4(b *testing.B) {
 b.ReportAllocs()
 var arr [100000]U4
 for i := 0; i < b.N; i++ {
  for j := 0; j < len(arr)-1; j++ {
   arr[j].d = j
  }
 }
}
func BenchmarkClassicForLoopLargeStructArrayU3(b *testing.B) {
 b.ReportAllocs()
 var arr [100000]U3
 for i := 0; i < b.N; i++ {
  for j := 0; j < len(arr)-1; j++ {
   arr[j].d = j
  }
 }
}
func BenchmarkClassicForLoopLargeStructArrayU2(b *testing.B) {
 b.ReportAllocs()
 var arr [100000]U2
 for i := 0; i < b.N; i++ {
  for j := 0; j < len(arr)-1; j++ {
   arr[j].d = j
  }
 }
}

func BenchmarkClassicForLoopLargeStructArrayU1(b *testing.B) {
 b.ReportAllocs()
 var arr [100000]U1
 for i := 0; i < b.N; i++ {
  for j := 0; j < len(arr)-1; j++ {
   arr[j].d = j
  }
 }
}

func BenchmarkForRangeLargeStructArrayU5(b *testing.B) {
 b.ReportAllocs()
 var arr [100000]U5
 for i := 0; i < b.N; i++ {
  for j, v := range arr {
   arr[j].d = j
   _ = v
  }
 }
}
func BenchmarkForRangeLargeStructArrayU4(b *testing.B) {
 b.ReportAllocs()
 var arr [100000]U4
 for i := 0; i < b.N; i++ {
  for j, v := range arr {
   arr[j].d = j
   _ = v
  }
 }
}

func BenchmarkForRangeLargeStructArrayU3(b *testing.B) {
 b.ReportAllocs()
 var arr [100000]U3
 for i := 0; i < b.N; i++ {
  for j, v := range arr {
   arr[j].d = j
   _ = v
  }
 }
}
func BenchmarkForRangeLargeStructArrayU2(b *testing.B) {
 b.ReportAllocs()
 var arr [100000]U2
 for i := 0; i < b.N; i++ {
  for j, v := range arr {
   arr[j].d = j
   _ = v
  }
 }
}
func BenchmarkForRangeLargeStructArrayU1(b *testing.B) {
 b.ReportAllocs()
 var arr [100000]U1
 for i := 0; i < b.N; i++ {
  for j, v := range arr {
   arr[j].d = j
   _ = v
  }
 }
}

在这个例子中，我们定义了 5 种类型的结构体：U1~U5，它们的区别在于包含的 int 类型字段的数量。

性能测试结果如下

 $ go test -bench . forRange2_test.go
goos: darwin
goarch: amd64
cpu: Intel(R) Core(TM) i5-8279U CPU @ 2.40GHz
BenchmarkClassicForLoopLargeStructArrayU5-8        44540             26227 ns/op               0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkClassicForLoopLargeStructArrayU4-8        45906             26312 ns/op               0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkClassicForLoopLargeStructArrayU3-8        43315             27400 ns/op               0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkClassicForLoopLargeStructArrayU2-8        44605             26313 ns/op               0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkClassicForLoopLargeStructArrayU1-8        45752             26110 ns/op               0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkForRangeLargeStructArrayU5-8               3072            388651 ns/op               0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkForRangeLargeStructArrayU4-8               4605            261329 ns/op               0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkForRangeLargeStructArrayU3-8               5857            182565 ns/op               0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkForRangeLargeStructArrayU2-8              10000            108391 ns/op               0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkForRangeLargeStructArrayU1-8              36333             32346 ns/op               0 B/op          0 allocs/op
PASS
ok      command-line-arguments  16.160s

我们看到一个现象：不管是什么类型的结构体元素数组，经典的 for 循环遍历的性能比较一致，但是 for range 的遍历性能会随着结构字段数量的增加而降低。

带着疑惑，发现了一个与这个问题相关的 issue：cmd/compile: optimize large structs：https://github.com/golang/go/issues/24416。这个 issue 大致是说：如果一个结构体类型有超过一定数量的字段（或一些其他条件），就会将该类型视为 unSSAable。如果 SSA 不可行，那么就无法通过 SSA 优化，这也是造成上述基准测试结果的重要原因。

结论

对于遍历大数组而言， for 循环能比 for range 循环更高效与稳定，这一点在数组元素为结构体类型更加明显。

另外，由于在 Go 中切片的底层都是通过数组来存储数据，尽管有 for range 的副本复制问题，但是切片副本指向的底层数组与原切片是一致的。这意味着，当我们将数组通过切片代替后，不管是通过 for range 或者 for 循环均能得到一致的稳定的遍历性能。

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