详解 Go 语言中的边界检查

作者: 王炳明 分类: Golang 进阶教程 发布时间: 2021-04-11 17:38 热度:325

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

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

$ 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。

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

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

 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

weixin

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