Go高性能-两种内存大小为0的数据类型

概述

Go 中的空结构体 struct{}{} 的内存大小等于 0，除此之外，还有别的数据类型内存大小也等于 0 吗？

map 实现 set

Go 的标准库没有内置的 Set 类型，在不引用第三方包的情况下，一般是结合内置的 map 类型实现 Set 类型相关功能。

这里假设 Set 元素类型为 int, 那么我们就以 int 作为 map 的键类型，以 bool 作为 map 的值类型 (之所以选择 bool 类型，是因为其大小为 1 个字节，相对其他数据类型可以节省内存，当然，也可以使用 byte 类型，其大小同样是 1 个字节)。

package main

import "fmt"

// Set 类型定义
type set map[int]bool

// 初始化一个新的 Set
func newSet() set {
    return make(set)
}

// 元素是否存在于与集合中
func (s set) contains(ele int) bool {
    _, ok := s[ele]
    return ok
}

// 添加元素到集合
func (s set) add(ele int) {
    s[ele] = true
}

// 从集合中删除某个元素
func (s set) remove(ele int) {
    delete(s, ele)
}

func main() {
    s := newSet()

    fmt.Println(s.contains(100))
    s.add(100)
    fmt.Println(s.contains(100))
    s.remove(100)
    fmt.Println(s.contains(100))
}

$ go run main.go

# 输出如下
false
true
false

上述示例代码通过内置类型 map 实现了 set 类型相关功能，美中不足的一点在于: 每个元素都要浪费一个 bool 类型作为标识占位符， 能否进一步的优化呢 ？当然是可以的，这就是接下来要讲到的 空结构体 了。

空结构体

Go 中的空结构体 struct{}{} 是 一个底层的内置变量，不占用任何内存 :

package main

import (
    "fmt"
    "unsafe"
)

func main() {
    fmt.Printf("size = %d\\n", unsafe.Sizeof(struct{}{}))
}

$ go run main.go

# 输出如下
size = 0

结合刚才的例子，可以将 struct{}{} 作为 Set 的元素，这样不论 Set 有多少个元素，标志位 内存占用始终为 0 。

使用 bool 实现 Set

测试代码

package performance

import (
    "testing"
)

// Set 类型定义, 使用 bool 类型作为占位符
type set map[int]bool

// 初始化一个新的 Set
func newSet() set {
    return make(set)
}

// 元素是否存在于与集合中
func (s set) contains(ele int) bool {
    _, ok := s[ele]
    return ok
}

// 添加元素到集合
func (s set) add(ele int) {
    s[ele] = true
}

// 从集合中删除某个元素
func (s set) remove(ele int) {
    delete(s, ele)
}

func Benchmark_Compare(b *testing.B) {
    s := newSet()

    for i := 0; i < b.N; i++ {
        s.add(i)
    }
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        _ = s.contains(i)
        s.remove(i)
    }
}

运行测试，并将基准测试结果写入文件:

$ go test -run='^$' -bench=. -count=1 -benchtime=10000000x -benchmem > bool.txt

使用空结构体实现 Set

测试代码

package performance

import (
    "testing"
)

// Set 类型定义, 使用 bool 类型作为占位符
type set map[int]struct{}

// 初始化一个新的 Set
func newSet() set {
    return make(set)
}

// 元素是否存在于与集合中
func (s set) contains(ele int) bool {
    _, ok := s[ele]
    return ok
}

// 添加元素到集合
func (s set) add(ele int) {
    s[ele] = struct{}{}
}

// 从集合中删除某个元素
func (s set) remove(ele int) {
    delete(s, ele)
}

func Benchmark_Compare(b *testing.B) {
    s := newSet()

    for i := 0; i < b.N; i++ {
        s.add(i)
    }
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        _ = s.contains(i)
        s.remove(i)
    }
}

运行测试，并将基准测试结果写入文件:

$ go test -run='^$' -bench=. -count=1 -benchtime=10000000x -benchmem > struct.txt

使用 benchstat 比较差异

$ benchstat -alpha=100 bool.txt struct.txt

# 输出如下
name        old time/op    new time/op    delta
_Compare-8     371ns ± 0%     332ns ± 0%  -10.47%  (p=1.000 n=1+1)

name        old alloc/op   new alloc/op   delta
_Compare-8     44.0B ± 0%     40.0B ± 0%   -9.09%  (p=1.000 n=1+1)

name        old allocs/op  new allocs/op  delta
_Compare-8      0.00           0.00          ~     (all equal)

从输出的结果中可以看到，相比于使用 bool 作为 Set 元素占位符，使用 空结构体 在性能和内存占用方面，都有了小幅度的优化提升 (10% 左右)。因为时间关系，这里的基准测试只运行了 10000000 次， 运行次数越大，优化的效果越明显 。感兴趣的读者可以将 -benchtime 调大后看看优化效果。

小结

**Go 中的空结构体 **struct{}{} 不占用任何内存，而且有很清晰的语义性质 (作为占位符使用) 。除了刚才示例中实现 Set 类型功能外， 还可以使用空结构体作为 通道信号标识、空对象 等，各种使用场景请读者自行探索。

彩蛋

除了空结构体 struct{}{} 之外，还有一个鲜为人知的内存大小为 0 的数据类型是: 空数组。但是相对 struct{}{} 丰富的表达性，空数组 使用的场景很少。

package main

import (
    "fmt"
    "unsafe"
)

func main() {
    fmt.Printf("size = %d\\n", unsafe.Sizeof([0]int{}))
}

$ go run main.go

# 输出如下
size = 0