Go 1.20 で導入された PGO パフォーマンスの最適化を 1 つの記事で読む

バックグラウンド

Go バージョン 1.20 は 2023 年 2 月に正式リリースされ、このバージョンでは PGO パフォーマンス最適化メカニズムが導入されました。

PGO の正式な英語名は Profile Guided Optimization で、基本原則は次の 2 つのステップに分かれています。

まずプログラムでプロファイリングを実行し、プログラムの実行中にデータを収集し、プロファイリングファイルを生成します。
プログラムをコンパイルするときに PGO オプションを有効にすると、コンパイラーは .pgo ファイルの内容に従ってプログラムのパフォーマンスを最適化します。

プログラムをコンパイルするとき、コンパイラーは、よく知られているインライン最適化 (インライン最適化)、エスケープ分析 (エスケープ分析)、定数伝播 (定数伝播) など、プログラムに対して多くの最適化を実行することは誰もが知っています。これらは、コンパイラーがプログラムのソースコードを分析することによって直接実装できる最適化です。

ただし、一部の最適化はソースコードを解析するだけでは実現できません。

たとえば、関数内には if/else の条件分岐判定が多数あり、コンパイラが条件分岐の順序を自動的に最適化して、条件分岐の判定を高速化し、プログラムのパフォーマンスを向上させることが期待できます。

ただし、これはプログラムの入力に関係するため、コンパイラは、どの条件分岐がより頻繁に入力され、どの条件分岐がより頻繁に入力されないかを知ることができない場合があります。

現時点では、コンパイラの最適化を行う人は PGO (Profile Guided Optimization) を思い浮かべます。

PGO の原理は非常に単純です。つまり、最初にプログラムを実行し、プログラムの実行中にデータを収集します。次に、コンパイラーは、収集されたプログラム実行時データに基づいてプログラムの動作を分析し、目標のパフォーマンスの最適化を実行します。

たとえば、プログラムはどの条件分岐がより多く入ったかを収集し、条件分岐の判断を前に置くことができます。これにより、時間のかかる条件判断が削減され、プログラムのパフォーマンスが向上します。

では、Go 言語はプログラムのパフォーマンスを最適化するためにどのように PGO を使用するのでしょうか? 次に具体的な例を見てみましょう。

例

/renderマークダウンファイルのバイナリ形式を入力として受け取り、マークダウン形式を HTML 形式に変換して返すWeb インターフェイスを実装します。

このインターフェースはgitlab.com/golang-commonmark/markdownプロジェクト。

環境構築

$ go mod init example.com/markdown

次のコードで新しいmain.goファイル。

package main

import (
    "bytes"
    "io"
    "log"
    "net/http"
    _ "net/http/pprof"

    "gitlab.com/golang-commonmark/markdown"
)

func render(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    
    
    if r.Method != "POST" {
    
    
        http.Error(w, "Only POST allowed", http.StatusMethodNotAllowed)
        return
    }

    src, err := io.ReadAll(r.Body)
    if err != nil {
    
    
        log.Printf("error reading body: %v", err)
        http.Error(w, "Internal Server Error", http.StatusInternalServerError)
        return
    }

    md := markdown.New(
        markdown.XHTMLOutput(true),
        markdown.Typographer(true),
        markdown.Linkify(true),
        markdown.Tables(true),
    )

    var buf bytes.Buffer
    if err := md.Render(&buf, src); err != nil {
    
    
        log.Printf("error converting markdown: %v", err)
        http.Error(w, "Malformed markdown", http.StatusBadRequest)
        return
    }

    if _, err := io.Copy(w, &buf); err != nil {
    
    
        log.Printf("error writing response: %v", err)
        http.Error(w, "Internal Server Error", http.StatusInternalServerError)
        return
    }
}

func main() {
    
    
    http.HandleFunc("/render", render)
    log.Printf("Serving on port 8080...")
    log.Fatal(http.ListenAndServe(":8080", nil))
}

プログラムをコンパイルして実行します。

$ go mod tidy
$ go build -o markdown.nopgo
$ ./markdown.nopgo
2023/02/25 22:30:51 Serving on port 8080...

プログラムのメインディレクトリに新しいファイルを作成しますinput.md。コンテンツはカスタマイズ可能で、マークダウン構文に準拠する必要があるだけです。

マークダウンファイルinput.md は、私が示した例で使用されています。

マークダウンファイルのバイナリコンテンツを、curl コマンドを通じてインターフェイスに送信します/render。

$ curl --data-binary @input.md http://localhost:8080/render
<h1>The Go Programming Language</h1>
<p>Go is an open source programming language that makes it easy to build simple,
reliable, and efficient software.</p>
...

インターフェイスがinput.mdファイルのコンテンツに対応する html 形式を返すことがわかります。

プロファイリング

次に、main.goプログラムのプロファイリングを実行し、プログラムの実行時にデータを取得して、PGO を通じてパフォーマンスの最適化を実行します。

には、インポートnet/http/pprofmain.goライブラリがあり、元の既存の Web インターフェイスに基づいて新しい Web インターフェイスを追加します。プログラムの実行中にデータを取得するプロファイリングインターフェイスをリクエストできます。/render/debug/pprof/profile

プログラムのメインディレクトリの下に、load サブディレクトリを追加します。loadサブディレクトリの下に新しく追加されたmain.goファイルは、プログラムの実際の実行状況をシミュレートするために、load/main.go上で./markdown.nogpo起動したサーバーのインターフェイスを継続的に要求します。/render
```
$ go run example.com/markdown/load
```
プロファイリングインターフェイスにプログラム実行時データを取得するよう要求します。
```
$ curl -o cpu.pprof "http://localhost:8080/debug/pprof/profile?seconds=30"
```

30 秒ほど待つと、curl コマンドが終了し、プログラムのメインディレクトリにファイルが生成されますcpu.pprof。

注: プログラムをコンパイルして実行するには、Go バージョン 1.20 を使用する必要があります。

PGO オプティマイザー

$ mv cpu.pprof default.pgo
$ go build -pgo=auto -o markdown.withpgo

go buildプログラムをコンパイルするときに、-pgoこのオプションを有効にします。

-pgo指定されたプロファイリングファイルとautoパターンの両方をサポートできます。

autoパターンの場合は、default.pgoプログラムのメインディレクトリで指定されたプロファイリングファイルが自動的に検索されます。

Goでは、プロジェクトのすべての開発者がautoこのモードを使用してプログラムのパフォーマンスを最適化できるように、このモードを使用し、メンテナンスのためにファイルをプログラムのメインディレクトリに保存することを公式に推奨しています。default.pgodefault.pgo

Go のバージョン 1.20 では、-pgoオプションのデフォルト値はですoff。PGO 最適化を有効にするには、これを追加する必要があります-pgo=auto。

-pgo将来の Go バージョンでは、オプションのデフォルト値をに設定することが正式な計画ですauto。

性能比較

プログラムのサブディレクトリに新しいファイルloadを追加し、 Go パフォーマンステストベンチマークフレームワークを使用してサーバーのストレステストを行います。bench_test.gobench_test.go

PGO 最適化が有効になっていないシナリオ

PGO 最適化を有効にせずにサーバープログラムを有効にします。

$ ./markdown.nopgo

ストレステストを開始します。

$ go test example.com/markdown/load -bench=. -count=20 -source ../input.md > nopgo.txt

PGO 最適化を有効にするシナリオ

PGO 最適化を有効にしてサーバープログラムを有効にします。

$ ./markdown.withpgo

ストレステストを開始します。

$ go test example.com/markdown/load -bench=. -count=20 -source ../input.md > withpgo.txt

総合的な比較

パフォーマンスの比較には、上記のストレステストから得られたnopgo.txt合計を使用します。withpgo.txt

$ go install golang.org/x/perf/cmd/benchstat@latest
$ benchstat nopgo.txt withpgo.txt
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: example.com/markdown/load
cpu: Intel(R) Core(TM) i5-5250U CPU @ 1.60GHz
       │  nopgo.txt  │             withpgo.txt             │
       │   sec/op    │   sec/op     vs base                │
Load-4   447.3µ ± 7%   401.3µ ± 1%  -10.29% (p=0.000 n=20)

PGO 最適化を使用した後、プログラムのパフォーマンスが 10.29% 向上したことがわかります。これは非常に印象的です。

Go バージョン 1.20 では、PGO を使用すると、プログラムのパフォーマンスが通常約 2% ～ 4% 向上します。

後続のバージョンでは、コンパイラは引き続き PGO メカニズムを最適化し、プログラムのパフォーマンスをさらに向上させます。

要約する

Go バージョン 1.20 では、コンパイラーがプログラムのパフォーマンスを最適化できるように PGO が導入されました。PGO は 2 つのステップで使用されます。

まずプロファイリングファイルを取得します。
コンパイル時に PGO オプションを有効にしgo build、プロファイリングファイルを通じてプログラムのパフォーマンスを最適化するようにコンパイラーをガイドします。

運用環境では、最新のプロファイリングデータを収集し、PGO を使用してプログラムを最適化し、システムの処理パフォーマンスを向上させることができます。

PGO に関する詳細な手順とベストプラクティスについては、プロファイルに基づく最適化ユーザーガイドを参照してください。

ソースコードアドレス: pgo 最適化ソースコード。

推奨読書

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参考文献

https://go.dev/blog/pgo-preview