원문: https://www.cockroachlabs.com/blog/how-to-optimize-garbage-collection-in-go/

Written by Jessica Edwards on Nov 23, 2015

몇 주 전 CockroachDB에서 Go를 선택한 이유에 대한 글을 공유했을 때, Go의 알려진 문제(성능, 가비지 컬렉션, 데드락)를 처리하는 방법에 대한 여러 가지 질문을 받았습니다.

이 글에서는, Go의 가비지 컬렌션과 관련된 성능 문제를 완화하는 몇 가지 강력한 최적화 방법을 설명하겠습니다. 특히, 구조체 임베딩, sync.Pool 및 배열 재사용을 통해, 메모리 할당을 최소화하고 가비지 컬렉션 오버헤드를 줄이는 방법을 공유하겠습니다.

메모리 할당 최소화와 가비지 컬렉션 최적화

Go가 Java와 다른 점은 Go가 메모리 레이아웃을 관리할 수 있다는 것입니다. Go를 사용하면 다른 가비지 콜렉션 언어에서는 별도의 할당이 되는 것을 하나로 결합할 수 있습니다.

디스크에서 데이터를 읽고, 디코드하는 아래 CockroachDB의 코드를 보십시오:

metaKey := mvccEncodeMetaKey(key)
var meta MVCCMetadata
if err := db.GetProto(metaKey, &meta); err != nil {
    // Handle err
}
...
valueKey := makeEncodeValueKey(meta)
var value MVCCValue
if err := db.GetProto(valueKey, &value); err != nil {
    // Handle err
}

데이터를 읽기 위해, 4번의 할당(MVCCMetadata, MVCCValue와 두 개의 키)을 합니다. Go는 구조체를 묶고 키 공간을 미리 할당하여 단일 할당으로 줄일 수 있는 기능을 제공합니다.

type getBuffer struct {
    meta  MVCCMetadata
    value MVCCValue
    key   [1024]byte
}

var buf getBuffer
metaKey := mvccEncodeKey(buf.key[:0], key)
if err := db.GetProto(metaKey, &buf.meta); err != nil {
    // Handle err
}
...
valueKey := makeEncodeValueKey(buf.key[:0], meta)
if err := db.GetProto(valueKey, &buf.value); err != nil {
    // Handle err
}

위에서는 MVCCMetadata, MVCCValue를 포함하는 getBuffer를 선언합니다. 세 번째 멤버는 Go에서 슬라이스에 비해 자주 보이지 않는 배열입니다.

고정 크기의 배열(1024바이트)을 가지고 있으면 추가 할당 없이 작업을 할 수 있습니다. 이것은 getBuffer 구조체에서 세 개의 오브젝트를 임베딩하여 할당을 4분의 1으로 줄일 수 있습니다. 또한, 키가 동시에 사용되지 않으므로 배열을 재사용할 수 있습니다.

sync.Pool:

var getBufferPool = sync.Pool{
       New: func () interface{} {
              return &getBuffer{}
       },
}

사실, sync.Pool에 대해 알기까지 약간의 시간이 걸렸습니다. 이것은 가비지 콜렉션 사이에 오브젝트를 재활용 가능하게 하는 목록이므로 추가 오브젝트 할당을 방지합니다. 매 가비지 콜랙션 주기가 시작될 때, 풀에서 오브젝트들이 지워집니다.

sync.Pool의 사용 예:

buf := getBufferPool.Get().(*getBuffer)
defer getBufferPool.Put(buf)

key := append(buf.key[0:0], …)

먼저 팩토리 함수를 이용해 글로벌 sync.Pool 오브젝트를 선언합니다. 위 경우 getBuffer를 새로 생성하는 대신 풀에서 가져옵니다. Pool.Get은 빈 인터페이스 타입을 반환하고 type assert를 이용해 우리가 원하는 타입으로 변환할 수 있습니다. 그리고 오브젝트를 다 사용한 후에는 풀에 다시 반환합니다. 결과적으로 Buffer 구조체를 얻기 위해 추가적인 할당을 할 필요가 없어집니다.

배열과 슬라이스

배열과 슬라이스는 Go의 타입 중 하나이며, 대부분의 경우 슬라이스가 사용됩니다. 또 [:0] 구문을 사용하여 배열에서 슬라이스를 가져올 수 있습니다.

key := append(buf.key[0:0], …)

이러면 배열을 사용하는 슬라이스가 만들어집니다. 이 슬라이스에 이미 백업 배열이 있기 때문에 append는 새로운 할당을 하는 대신 배열을 사용합니다. 따라서 키를 디코딩 할 때 버퍼로 만들어진 값을 슬라이스에 넣을 수 있습니다. 따라서 키 사이즈가 1KB 이하면 아무것도 할당하지 않고 이미 할당된 배열을 재사용합니다.

만약 키 크기가 1KB 이상인 경우가 발생하더라도, 슬라이스가 새 백업 배열을 할당하므로, 코드에서 이를 고려할 필요가 없습니다.

Gogoprotobuf vs Google protobuf

마지막으로, 우리는 디스크에 저장하기 위해 프로토콜 버퍼를 사용합니다. 하지만 우리는 구글의 protobuf 대신 gogoprotobuf를 강력하게 추천합니다.

Gogoprotobuf는 불필요한 할당을 피하기 위해 위에서 강조한 원칙을 따릅니다. 특히, 배열로 백업할 수 있는 슬라이스를 이용해 마샬링 할 수 있습니다. 또한, null을 허용하지 않는다면 할당없이 메시지를 저장합니다.

마지막으로 Gogoprotobuf는 자동생성된 마샬링, 언마샬링 코드를 사용합니다. 이 방법은 표준 구글 프로토콜 버퍼 라이브러리에 있는 리플렉션 기반 마샬링 및 언마샬링보다 우수한 성능을 제공합니다.

결론

위의 기술을 결합하여, Go의 가비지 컬렉션 오버헤드를 최소화하고, 성능을 최적화할 수 있었습니다. 베타 버전을 만들어가며, 메모리 프로파일링에 진척이 있으면, 그 결과를 후속 글로 공유하겠습니다. 만약 Go 성능 최적화에 다른 정보가 있다면, 우리에게 알려주십시오.

일러스트 제공 Mei-Li Nieuwland