Go基础—反射，性能和灵活性的双刃剑
Go基础—反射，性能和灵活性的双刃剑
- 1 简介
- 2 结构体成员赋值对比
- 3 结构体成员搜索并赋值对比
- 4 调用函数对比
- 5 基准测试结果对比
1 简介
现在的一些流行设计思想需要建立在反射基础上，如控制反转（Inversion Of Control，IOC）和依赖注入（Dependency Injection，DI）。
Go 语言中非常有名的 Web 框架 martini（https://github.com/go-martini/martini）就是通过依赖注入技术进行中间件的实现，例如使用 martini 框架搭建的 http 的服务器如下：
package main
import "github.com/go-martini/martini"
func main() {
m := martini.Classic()
m.Get("/", func() string {
return "Hello world!"
})
m.Run()
}
第 7 行，响应路径/的代码使用一个闭包实现。如果希望获得 Go 语言中提供的请求和响应接口，可以直接修改为：
m.Get("/", func(res http.ResponseWriter, req *http.Request) string {
// 响应处理代码……
})
martini 的底层会自动通过识别 Get 获得的闭包参数情况，通过动态反射调用这个函数并传入需要的参数。martini 的设计广受好评，但同时也有人指出，其运行效率较低。其中最主要的因素是大量使用了反射。
虽然一般情况下，I/O 的延迟远远大于反射代码所造成的延迟。但是，更低的响应速度和更低的 CPU 占用依然是 Web 服务器追求的目标。因此，反射在带来灵活性的同时，也带上了性能低下的桎梏。
要用好反射这把双刃剑，就需要详细了解反射的性能。下面的一些基准测试从多方面对比了原生调用和反射调用的区别。
2 结构体成员赋值对比
反射经常被使用在结构体上，因此结构体的成员访问性能就成为了关注的重点。下面例子中使用一个被实例化的结构体，访问它的成员，然后使用 Go 语言的基准化测试可以迅速测试出结果。
反射性能测试的完整代码位于./src/chapter12/reflecttest/reflect_test.go，下面是对各个部分的详细说明。
本套教程所有源码下载地址：https://pan.baidu.com/s/1ORFVTOLEYYqDhRzeq0zIiQ，提取密码：hfyf
原生结构体的赋值过程：
// 声明一个结构体, 拥有一个字段
type data struct {
Hp int
}
func BenchmarkNativeAssign(b *testing.B) {
// 实例化结构体
v := data{Hp: 2}
// 停止基准测试的计时器
b.StopTimer()
// 重置基准测试计时器数据
b.ResetTimer()
// 重新启动基准测试计时器
b.StartTimer()
// 根据基准测试数据进行循环测试
for i := 0; i < b.N; i++ {
// 结构体成员赋值测试
v.Hp = 3
}
}
代码说明如下：
- 第 2 行，声明一个普通结构体，拥有一个成员变量。
- 第 6 行，使用基准化测试的入口。
- 第 9 行，实例化 data 结构体，并给 Hp 成员赋值。
- 第 12～17 行，由于测试的重点必须放在赋值上，因此需要极大程度地降低其他代码的干扰，于是在赋值完成后，将基准测试的计时器复位并重新开始。
- 第 20 行，将基准测试提供的测试数量用于循环中。
- 第 23 行，测试的核心代码：结构体赋值。
接下来的代码分析使用反射访问结构体成员并赋值的过程。
func BenchmarkReflectAssign(b *testing.B) {
v := data{Hp: 2}
// 取出结构体指针的反射值对象并取其元素
vv := reflect.ValueOf(&v).Elem()
// 根据名字取结构体成员
f := vv.FieldByName("Hp")
b.StopTimer()
b.ResetTimer()
b.StartTimer()
for i := 0; i < b.N; i++ {
// 反射测试设置成员值性能
f.SetInt(3)
}
}
代码说明如下：
- 第 6 行，取v的地址并转为反射值对象。此时值对象里的类型为
*data，使用值的Elem()方法取元素，获得 data 的反射值对象。 - 第 9 行，使用
FieldByName()根据名字取出成员的反射值对象。 - 第 11～13 行，重置基准测试计时器。
- 第 18 行，使用反射值对象的
SetInt()方法，给data结构的Hp字段设置数值 3。
这段代码中使用了反射值对象的 SetInt() 方法，这个方法的源码如下：
func (v Value) SetInt(x int64) {
v.mustBeAssignable()
switch k := v.kind(); k {
default:
panic(&ValueError{"reflect.Value.SetInt", v.kind()})
case Int:
*(*int)(v.ptr) = int(x)
case Int8:
*(*int8)(v.ptr) = int8(x)
case Int16:
*(*int16)(v.ptr) = int16(x)
case Int32:
*(*int32)(v.ptr) = int32(x)
case Int64:
*(*int64)(v.ptr) = x
}
}
可以发现，整个设置过程都是指针转换及赋值，没有遍历及内存操作等相对耗时的算法。
3 结构体成员搜索并赋值对比
func BenchmarkReflectFindFieldAndAssign(b *testing.B) {
v := data{Hp: 2}
vv := reflect.ValueOf(&v).Elem()
b.StopTimer()
b.ResetTimer()
b.StartTimer()
for i := 0; i < b.N; i++ {
// 测试结构体成员的查找和设置成员的性能
vv.FieldByName("Hp").SetInt(3)
}
}
这段代码将反射值对象的 FieldByName() 方法与 SetInt() 方法放在循环里进行检测，主要对比测试FieldByName()方法对性能的影响。FieldByName()方法源码如下：
func (v Value) FieldByName(name string) Value {
v.mustBe(Struct)
if f, ok := v.typ.FieldByName(name); ok {
return v.FieldByIndex(f.Index)
}
return Value{}
}
底层代码说明如下：
- 第 3 行，通过名字查询类型对象，这里有一次遍历过程。
- 第 4 行，找到类型对象后，使用
FieldByIndex()继续在值中查找，这里又是一次遍历。
经过底层代码分析得出，随着结构体字段数量和相对位置的变化，FieldByName() 方法比较严重的低效率问题。
4 调用函数对比
反射的函数调用，也是使用反射中容易忽视的性能点，下面展示对普通函数的调用过程。
// 一个普通函数
func foo(v int) {
}
func BenchmarkNativeCall(b *testing.B) {
for i := 0; i < b.N; i++ {
// 原生函数调用
foo(0)
}
}
func BenchmarkReflectCall(b *testing.B) {
// 取函数的反射值对象
v := reflect.ValueOf(foo)
b.StopTimer()
b.ResetTimer()
b.StartTimer()
for i := 0; i < b.N; i++ {
// 反射调用函数
v.Call([]reflect.Value{reflect.ValueOf(2)})
}
}
代码说明如下：
- 第 2 行，一个普通的只有一个参数的函数。
- 第 10 行，对原生函数调用的性能测试。
- 第 17 行，根据函数名取出反射值对象。
- 第 25 行，使用
reflect.ValueOf(2)将2构造为反射值对象，因为反射函数调用的参数必须全是反射值对象，再使用[]reflect.Value构造多个参数列表传给反射值对象的Call()方法进行调用。
反射函数调用的参数构造过程非常复杂，构建很多对象会造成很大的内存回收负担。Call() 方法内部就更为复杂，需要将参数列表的每个值从reflect.Value类型转换为内存。调用完毕后，还要将函数返回值重新转换为reflect.Value类型返回。因此，反射调用函数的性能堪忧。
5 基准测试结果对比
测试结果如下：
$ go test -v -bench=.
goos: linux
goarch: amd64
BenchmarkNativeAssign-4 2000000000 0.32 ns/op
BenchmarkReflectAssign-4 300000000 4.42 ns/op
BenchmarkReflectFindFieldAndAssign-4 20000000 91.6 ns/op
BenchmarkNativeCall-4 2000000000 0.33 ns/op
BenchmarkReflectCall-4 10000000 163 ns/op
PASS
结果分析如下：
- 第 4 行，原生的结构体成员赋值，每一步操作耗时 0.32 纳秒，这是参考基准。
- 第 5 行，使用反射的结构体成员赋值，操作耗时 4.42 纳秒，比原生赋值多消耗 13 倍的性能。
- 第 6 行，反射查找结构体成员且反射赋值，操作耗时 91.6 纳秒，扣除反射结构体成员赋值的 4.42 纳秒还富余，性能大概是原生的 272 倍。这个测试结果与代码分析结果很接近。
SetInt的性能可以接受，但FieldByName()的性能就非常低。 - 第 7 行，原生函数调用，性能与原生访问结构体成员接近。
- 第 8 行，反射函数调用，性能差到“爆棚”，花费了 163 纳秒，操作耗时比原生多消耗 494 倍。
经过基准测试结果的数值分析及对比，最终得出以下结论：
- 能使用原生代码时，尽量避免反射操作。
- 提前缓冲反射值对象，对性能有很大的帮助。
- 避免反射函数调用，实在需要调用时，先提前缓冲函数参数列表，并且尽量少地使用返回值。
