Go語言效能優化- For Range 效能研究

摘要： 如果我們要遍歷某個陣列，Map集合，Slice切片等，Go語言(Golang)為我們提供了比較好用的For Range方式。range是一個關鍵字，表示範圍，和for配合使用可以迭代陣列,Map等集合。它的用法簡潔，而且map、channel等也都是用for range的方式，所以在編碼中我...

如果我們要遍歷某個陣列，Map集合，Slice切片等，Go語言(Golang)為我們提供了比較好用的For Range方式。range是一個關鍵字，表示範圍，和for配合使用可以迭代陣列,Map等集合。它的用法簡潔，而且map、channel等也都是用for range的方式，所以在編碼中我們使用 for range 進行迴圈迭代是最多的。對於這種最常使用的迭代，尤其是和 for i=0;i<N;i++ 對比，效能怎麼樣？我們進行下示例分析，讓我們對 for range 迴圈有個更深的理解，便於我們寫出效能更高的程式。

基本用法

for range 的使用非常簡單，這裡演示下兩種集合型別的使用。

package main

import "fmt"

func main() {
ages:=[]string{"10", "20", "30"}

for i,age:=range ages{
fmt.Println(i,age)
}
}
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這是針對 Slice 切片的迭代使用,使用 range 關鍵字返回兩個變數 i,age ，第一個是 Slice 切片的索引，第二個是 Slice 切片中的內容，所以我們打印出來：

0 10
1 20
2 30
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關於Go語言 Slice 切片的，可以參考我以前寫的這篇 ofollow,noindex">Go語言實戰筆記（五）| Go 切片

下面再看看map（字典）的 for range 使用示例。

package main

import "fmt"

func main() {
ages:=map[string]int{"張三":15,"李四":20,"王武":36}

for name,age:=range ages{
fmt.Println(name,age)
}
}
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在使用 for range 迭代map的時候，返回的第一個變數是 key ,第二個變數是 value ，也就是我們例子中對應的 name 和 ages 。我們執行程式看看輸出結果。

張三 15
李四 20
王武 36
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這裡需要注意的是， for range map 返回的 K-V 鍵值對順序是不固定的，是隨機的，這次可能是 張三-15 第一個出現，下一次執行可能是 王武-36 第一個被列印了。 關於Map更詳細的可以參考我以前的一篇文章 Go語言實戰筆記（六）| Go Map 。

常規for迴圈對比

比如對於 Slice 切片，我們有兩種迭代方式：一種是常規的 for i:=0;i<N;i++ 的方式；一種是 for range 的方式，下面我們看看兩種迭代的效能。

func ForSlice(s []string) {
len := len(s)
for i := 0; i < len; i++ {
_, _ = i, s[i]
}
}

func RangeForSlice(s []string) {
for i, v := range s {
_, _ = i, v
}
}
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為了測試，寫了這兩種迴圈迭代 Slice 切片的函式，從實現上看，他們的邏輯是一樣的，保證我們可以在同樣的情況下測試。

import "testing"

const N=1000

func initSlice() []string{
s:=make([]string,N)
for i:=0;i<N;i++{
s[i]="www.flysnow.org"
}
return s;
}

func BenchmarkForSlice(b *testing.B) {
s:=initSlice()

b.ResetTimer()
for i:=0; i<b.N;i++{
ForSlice(s)
}
}

func BenchmarkRangeForSlice(b *testing.B) {
s:=initSlice()

b.ResetTimer()
for i:=0; i<b.N;i++{
RangeForSlice(s)
}
}
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這事Bench基準測試的用例，都是在相同的情況下，模擬長度為1000的 Slice 切片的遍歷。然後我們執行 go test -bench=. -run=NONE 檢視效能測試結果。

BenchmarkForSlice-45000000287 ns/op
BenchmarkRangeForSlice-43000000509 ns/op
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從效能測試可以看到，常規的for迴圈，要比 for range 的效能高出近一倍，到這裡相信大家已經知道了原因，沒錯，因為 for range 每次是對迴圈元素的拷貝，所以集合內的預算越複雜，效能越差，而反觀常規的for迴圈，它獲取集合內元素是通過 s[i] ，這種索引指標引用的方式，要比拷貝效能要高的多。

既然是元素拷貝的問題，我們迭代 Slice 切片的目的也是為了獲取元素，那麼我們換一種方式實現 for range 。

func RangeForSlice(s []string) {
for i, _ := range s {
_, _ = i, s[i]
}
}
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現在，我們再次進行 Benchmark 效能測試,看看效果。

BenchmarkForSlice-45000000280 ns/op
BenchmarkRangeForSlice-45000000277 ns/op

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恩，和我們想的一樣，效能上來了，和常規的for迴圈持平了。原因就是我們通過 _ 捨棄了元素的複製，然後通過 s[i] 獲取迭代的元素，既提高了效能，又達到了目的。

Map 遍歷

對於Map來說，我們並不能使用 for i:=0;i<N;i++ 的方式，當然如果你有全部的 key 元素列表除外，所以大部分情況下我們都是使用 for range 的方式。

func RangeForMap1(m map[int]string) {
for k, v := range m {
_, _ = k, v
}
}

const N = 1000

func initMap() map[int]string {
m := make(map[int]string, N)
for i := 0; i < N; i++ {
m[i] = fmt.Sprint("www.flysnow.org",i)
}
return m
}

func BenchmarkRangeForMap1(b *testing.B) {
m:=initMap()

b.ResetTimer()
for i := 0; i < b.N; i++ {
RangeForMap1(m)
}
}
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飛雪無情的部落格

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以上示例是map遍歷的函式以及benchmark測試，我都寫在一起了，執行測試看一下效果。

BenchmarkForSlice-85000000298 ns/op
BenchmarkRangeForSlice-83000000475 ns/op
BenchmarkRangeForMap1-810000014531 ns/op
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相比 Slice 來說，Map的遍歷的效能更差，可以說是慘不忍睹。好，我們開始下優化，思路也是減少值得拷貝。測試中的RangeForSlice也慢的原因是我把RangeForSlice還原成了值得拷貝，以便於對比效能。

func RangeForMap2(m map[int]string) {
for k, _ := range m {
_, _ = k, m[k]
}
}

func BenchmarkRangeForMap2(b *testing.B) {
m := initMap()

b.ResetTimer()
for i := 0; i < b.N; i++ {
RangeForMap2(m)
}
}
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再次執行下效能測試看下效果。

BenchmarkForSlice-85000000298 ns/op
BenchmarkRangeForSlice-83000000475 ns/op
BenchmarkRangeForMap1-810000014531 ns/op
BenchmarkRangeForMap2-810000023199 ns/op

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額，是不是發現點不對，方法 BenchmarkRangeForMap2 的效能明顯下降了，這個可以從每次操作的耗時看出來(雖然效能測試秒執行的次數還是一樣)。和我們上面測試的Slice不一樣，這次不止沒有提升，反而下降了。

繼續修改 Map2 函式的實現為：

func RangeForMap2(m map[int]Person) {
forrange m {
}
}
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什麼都不做，只迭代，再次執行效能測試。

BenchmarkForSlice-85000000301 ns/op
BenchmarkRangeForSlice-83000000478 ns/op
BenchmarkRangeForMap1-810000014822 ns/op
BenchmarkRangeForMap2-810000014215 ns/op

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*我們驚奇的發現，什麼都不做，和獲取K-V值的操作效能是一樣的，和Slice完全不一樣，不是說 for range值拷貝損耗效能呢？都哪去了？大家猜一猜，可以結合下一節的原理實現

for range 原理

通過檢視 github.com/golang/gofr… 原始碼，我們可以發現 for range 的實現是：

// Arrange to do a loop appropriate for the type.We will produce
//for INIT ; COND ; POST {
//ITER_INIT
//INDEX = INDEX_TEMP
//VALUE = VALUE_TEMP // If there is a value
//original statements
//}
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並且對於Slice,Map等各有具體不同的編譯實現,我們先看看 for range slice 的具體實現

// The loop we generate:
//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
//}
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先是對要遍歷的 Slice 做一個拷貝，獲取長度大小，然後使用常規 for 迴圈進行遍歷，並且返回值的拷貝。

再看看 for range map 的具體實現：

// The loop we generate:
//var hiter map_iteration_struct
//for mapiterinit(type, range, &hiter); hiter.key != nil; mapiternext(&hiter) {
//index_temp = *hiter.key
//value_temp = *hiter.val
//index = index_temp
//value = value_temp
//original body
//}
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也是先對 map 進行了初始化，因為 map 是 *hashmap ，所以這裡其實是一個 *hashmap 指標的拷貝。

結合著這兩個具體的 for range 編譯器實現，可以看看為什麼 for range slice 的 _ 優化方式有用，而 for range map 的方式沒用呢？歡迎大家留言回答。

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