7.2 学习 Go 语言中边界检查 ========================== .. image:: http://image.iswbm.com/20200607145423.png 1. 什么是边界检查？ ------------------- 边界检查，英文名 ``Bounds Check Elimination``\ ，简称为 BCE。它是 Go 语言中防止数组、切片越界而导致内存不安全的检查手段。如果检查下标已经越界了，就会产生 Panic。 边界检查使得我们的代码能够安全地运行，但是另一方面，也使得我们的代码运行效率略微降低。 比如下面这段代码，会进行三次的边界检查 .. code:: go package main func f(s []int) { _ = s[0] // 检查第一次 _ = s[1] // 检查第二次 _ = s[2] // 检查第三次 } func main() {} 你可能会好奇了，三次？我是怎么知道它要检查三次的。 实际上，你只要在编译的时候，加上参数即可，命令如下 .. code:: shell $ go build -gcflags="-d=ssa/check_bce/debug=1" main.go # command-line-arguments ./main.go:4:7: Found IsInBounds ./main.go:5:7: Found IsInBounds ./main.go:6:7: Found IsInBounds 2. 边界检查的条件？ ------------------- 并不是所有的对数组、切片进行索引操作都需要边界检查。 比如下面这个示例，就不需要进行边界检查，因为编译器根据上下文已经得知，\ ``s`` 这个切片的长度是多少，你的终止索引是多少，立马就能判断到底有没有越界，因此是不需要再进行边界检查，因为在编译的时候就已经知道这个地方会不会 panic。 .. code:: go package main func f() { s := []int{1,2,3,4} _ = s[:9] // 不需要边界检查 } func main() {} 因此可以得出结论，对于在编译阶段无法判断是否会越界的索引操作才会需要边界检查，比如这样子 .. code:: go package main func f(s []int) { _ = s[:9] // 需要边界检查 } func main() {} 3. 边界检查的特殊案例 --------------------- 3.1 案例一 ~~~~~~~~~~ 在如下示例代码中，由于索引 2 在最前面已经检查过会不会越界，因此聪明的编译器可以推断出后面的索引 0 和 1 不用再检查啦 .. code:: go package main func f(s []int) { _ = s[2] // 检查一次 _ = s[1] // 不会检查 _ = s[0] // 不会检查 } func main() {} 3.2 案例二 ~~~~~~~~~~ 在下面这个示例中，可以在逻辑上保证不会越界的代码，同样是不会进行越界检查的。 .. code:: go package main func f(s []int) { for index, _ := range s { _ = s[index] _ = s[:index+1] _ = s[index:len(s)] } } func main() {} 3.3 案例三 ~~~~~~~~~~ 在如下示例代码中，虽然数组的长度和容量可以确定，但是索引是通过 ``rand.Intn()`` 函数取得的随机数，在编译器看来这个索引值是不确定的，它有可能大于数组的长度，也有可能小于数组的长度。 因此第一次是需要进行检查的，有了第一次检查后，第二次索引从逻辑上就能推断，所以不会再进行边界检查。 .. code:: go package main import ( "math/rand" ) func f() { s := make([]int, 3, 3) index := rand.Intn(3) _ = s[:index] // 第一次检查 _ = s[index:] // 不会检查 } func main() {} 但如果把上面的代码稍微改一下，让切片的长度和容量变得不一样，结果又会变得不一样了。 .. code:: go package main import ( "math/rand" ) func f() { s := make([]int, 3, 5) index := rand.Intn(3) _ = s[:index] // 第一次检查 _ = s[index:] // 第二次检查 } func main() {} 我们只有当数组的长度和容量相等时， ``:index`` 成立，才能一定能推出 ``index:`` 也成立，这样的话，只要做一次检查即可 一旦数组的长度和容量不相等，那么 index 在编译器看来是有可能大于数组长度的，甚至大于数组的容量。 我们假设 index 取得的随机数为 4，那么它大于数组长度，此时 ``s[:index]`` 虽然可以成功，但是 ``s[index:]`` 是要失败的，因此第二次边界的检查是有必要的。 你可能会说， index 不是最大值为 3 吗？怎么可能是 4呢？ 要知道编译器在编译的时候，并不知道 index 的最大值是 3 呢。 **小结一下** 1. 当数组的长度和容量相等时，\ ``s[:index]`` 成立能够保证 ``s[index:]`` 也成立，因为只要检查一次即可 2. 当数组的长度和容量不等时，\ ``s[:index]`` 成立不能保证 ``s[index:]`` 也成立，因为要检查两次才可以 3.4 案例四 ~~~~~~~~~~ 有了上面的铺垫，再来看下面这个示例，由于数组是调用者传入的参数，所以编译器的编译的时候无法得知数组的长度和容量是否相等，因此只能保险一点，两个都检查。 .. code:: go package main import ( "math/rand" ) func f(s []int, index int) { _ = s[:index] // 第一次检查 _ = s[index:] // 第二次检查 } func main() {} 但是如果把两个表达式的顺序反过来，就只要做一次检查就行了，原因我就不赘述了。 .. code:: go package main import ( "math/rand" ) func f(s []int, index int) { _ = s[index:] // 第一次检查 _ = s[:index] // 不用检查 } func main() {} 5. 主动消除边界检查 ------------------- 虽然编译器已经非常努力去消除一些应该消除的边界检查，但难免会有一些遗漏。 这就需要”警民合作”，对于那些编译器还未考虑到的场景，但开发者又极力追求程序的运行效率的，可以使用一些小技巧给出一些暗示，告诉编译器哪些地方可以不用做边界检查。 比如下面这个示例，从代码的逻辑上来说，是完全没有必要做边界检查的，但是编译器并没有那么智能，实际上每个for循环，它都要做一次边界的检查，非常的浪费性能。 .. code:: go package main func f(is []int, bs []byte) { if len(is) >= 256 { for _, n := range bs { _ = is[n] // 每个循环都要边界检查 } } } func main() {} 可以试着在 for 循环前加上这么一句 ``is = is[:256]`` 来告诉编译器新 is 的长度为 256，最大索引值为 255，不会超过 byte 的最大值，因为 ``is[n]`` 从逻辑上来说是一定不会越界的。 .. code:: go package main func f(is []int, bs []byte) { if len(is) >= 256 { is = is[:256] for _, n := range bs { _ = is[n] // 不需要做边界检查 } } } func main() {} 参考文档 -------- - `边界检查消除 `__