Dig101-Go 之 string 那些事

Dig101: dig more, simplified more and know more

string 这么简单，我想你也一直是这样想的，没关系，我也没打算把它搞复杂。

别着急，我们先从 string 的拼接操作 + 开始

0x01 string 对 "+" 拼接的优化

如下代码, s2, s3, s4 具体执行时有啥不同

s1 := "x"
s2 := s1 + "y" + "x" + "z"
s3 := s1 + "y" + s1 + "z" + s1
s4 := s1 + "y" + s1 + "z" + s1 + "z"
println(s2, s3, s4)

乍一看都是字符串拼接感觉没啥不同，但是当我们用go tool compile -m来打印编译优化时发现

字面量拼接会在编译时就合并到一起"y" + "x" + "z" => "xyz"

$ go tool compile -m  plus.go
plus.go:21:6: can inline plus
plus.go:23:11: s1 + "yxz" does not escape
plus.go:24:28: s1 + "y" + s1 + "z" + s1 does not escape
plus.go:25:33: s1 + "y" + s1 + "z" + s1 + "z" does not escape

再使用-S打印汇编调用 concat 相关

$ go tool compile -S  plus.go|grep concat
  0x0068 00104 (plus.go:20)  CALL runtime.concatstring2(SB)
  0x00eb 00235 (plus.go:21)  CALL runtime.concatstring5(SB)
  0x01e1 00481 (plus.go:22)  CALL runtime.concatstrings(SB)
  rel 105+4 t=8 runtime.concatstring2+0
  rel 236+4 t=8 runtime.concatstring5+0
  rel 482+4 t=8 runtime.concatstrings+0

发现这三个拼接调用了不同的 concatstring 方法

其实当string相加是:

编译器先优化掉字面量拼接后
再将剩余待拼接string作为一个切片参数传入concatstring相关函数
- 当切片长度为 2-5 之间则调用数组参数的concatstring2-concatstring5
- 否则调用切片参数的concatstrings
如果所有待拼接string总长度小于 32, 则会初始化一个栈上的tmpBuf，来避免堆上内存分配。

具体代码调用点如下，感兴趣可以自行查看下

// cmd/compile/internal/gc/walk.go 中 addstr
// 调用 runtime/string.go 中 concatstrings

// tmpBuf 用来拼接处理过程中优化分配小字符串对象
const tmpStringBufSize = 32
type tmpBuf [tmpStringBufSize]byte

func concatstrings(buf *tmpBuf, a []string) string
func concatstring2(buf *tmpBuf, a [2]string) string
    ...

0x02 string 也是一种切片

如果你查看过concatstrings的内部调用，你会发现有切片的操作

func concatstrings(buf *tmpBuf, a []string) string
  ...
  s, b := rawstringtmp(buf, l)
  for _, x := range a {
    copy(b, x)
    b = b[len(x):]
  }
  ...
}

//具体看内部 rawstring 方法，你能发现 b 从何而来
func rawstringtmp(buf *tmpBuf, l int) (s string, b []byte) {
 if buf != nil && l <= len(buf) {
  b = buf[:l]
  s = slicebytetostringtmp(b)
 } else {
  s, b = rawstring(l)
 }
 return
}

type stringStruct struct {
  str unsafe.Pointer
  len int
}

func rawstring(size int) (s string, b []byte) {
  p := mallocgc(uintptr(size), nil, false)

  stringStructOf(&s).str = p
  stringStructOf(&s).len = size

    // 这里的 slice 有没有熟悉的感觉
  *(*slice)(unsafe.Pointer(&b)) = slice{p, size, size}

  return
}

重点就是*(*slice)(unsafe.Pointer(&b)) = slice{p, size, size}

所以 string 底层不过是cap和len一样的[]byte罢了

0x03 string 不能修改

s:="abc"
// 可以换底层数据
s="xyz"
// 不能直接修改底层数据
s[0]='b'
// Error: cannot assign to s[0]

那一般怎么改局部字符呢, 有两类利用[]byte和[]rune

s := "abc 好"
// 1.替换 byte
bs := []byte(s)
bs[0] = 'x'
println(string(bs))

// 2.替换中文
rs := []rune(s)
rs[3] = '啊'
println(string(rs))

0x04 string 和[]byte,[]rune 的相互转化

那么对于上边的转化，我们可以依次分析一下，会有一些有趣的地方

rune => string

每个 rune 底层是int32，是用来 utf8 字符表示的编码点（ Unicode code point ），4 个 byte （uint8）大小

转化前内部先开辟[]byte, 再调用 func encoderune(p []byte, r rune) 判断r底层的[]byte大小, 依次实现拷贝写入。

这里如果你仔细查看encoderune函数，诸如 _ = p[1]，_ = p[2] ...

其实是一种边界检查的优化：消除边界检查。感兴趣的同学可以自行查看

byte => string

直接基于[]byte的首地址和长度构造string结构体，并拷贝内容到数据指向

string => rune

直接开辟[]rune, 遍历string为[]rune赋值

因为 string 遍历等价于对[]rune(string)的遍历

另外 string 不可修改，所以转换中不需要检测数据竞争（ race detect ）

string => byte

直接开辟[]byte, 利用copy([]byte, string)拷贝

0x05 零拷贝实现[]byte 转 string

上边的转化方式都有拷贝，有一种不需要拷贝就可以将[]byte转为string 出现在如下函数

// 有些编译器会对以下操作中的转 string 使用优化
// - m[T1{... Tn{..., string(k), ...} ...}] and m[string(k)]
// - "<"+string(b)+">"
// - string(b)=="foo"
func slicebytetostringtmp(b []byte) string {
  ...
  return *(*string)(unsafe.Pointer(&b))
}

原理就是利用 string 底层是[]byte，所以直接做指针转换。

但是有注意点，转换后不能修改，否则 string 不可被修改的原则就被破坏了。属于特定使用场景了。

string拼接类库strings.Builder 的 String方法就利用这一点零拷贝优化转化速度

0x06 string 的拼接效率

针对长(long: 256b)、短string(short: 16b)在少量和大量拼接的 benchmark，代码见concat_benchmark

对于sprint和sprintf和strings.Join压测代码都是提前构建好全部待拼接 string 列表其他三个是遍历拼接

压测结果分析如下:

提前构造好参数情况下
- sprint和sprintf差别不大
- strings.Join效率最佳（其底层使用strings.Builder这个我们后边对比时再讲）
遍历拼接情况下
- + 性能差距会越来越大
- 少量拼接次数下： strings.Builder 比 bytes.Buffer 快，大量了就不行了

可是官方宣称strings.Builder在结果为 string 情况下效率更好啊。

仔细看我们发现strings.Builder对应的每次操作 alloc 数比 buffer 的多很多，可能是内存分配过多影响了效率。查看压测代码，都是遍历前bf.Reset()重置。

再看源码

// Reset resets the buffer to be empty,
// but it retains the underlying storage for use by future writes.
// Reset is the same as Truncate(0).
func (b *Buffer) Reset() {
  b.buf = b.buf[:0]
  b.off = 0
  b.lastRead = opInvalid
}
// Reset resets the Builder to be empty.
func (b *Builder) Reset() {
  b.addr = nil
  b.buf = nil
}

原来Buffer只是将大小设置为 0，没清空内容，而Builder直接清空了内容

也对，Builder利用了零拷贝优化转化 string 的效率，是不允许修改的。

这也是为啥其内部写操作之前会调用b.copyCheck()去检测是否存在拷贝。

除此之外，其实Buffer和Builder还有优化的空间：就是减少内存分配次数

他们底层都使用了[]byte，且都有Grow(size int)方法，所以可以一次分配好大小，

避免多次内存不够去 reslice 扩容，详见代码： concatIterWithGrowInit

如此优化后，benchmark 的数据能和官方说的对上了，Builder变快了，而且他们每次操作的 alloc 次数都变成了 1.

好了，就到这里，希望我没把它搞复杂。

本文代码见 NewbMiao/Dig101-Go

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