函数开销困惑
在现代的开发工作中，相信绝大部分的同学手头的项目都不是从第零行代码开始搭建的。各个语言都有自己流行的代码框架，如PHP的有Laravel、CodeIgniter、ThinkPHP等等。大家都是在自己的框架的基础上添加自己的业务代码逻辑，开启开发工作。还记得我们团队有位开发同学当时问过我一个问题，我们用xx框架这么重，一个用户请求过来即使什么也不干，都已经进行了那么多次的函数调用了，适合用来做接口开发吗？
我当时给她的回答是，没问题放心吧，函数调用的开销很小的，不必担心。但回答完她的问题之后，我回头一想，我只知道函数调用的开销很小，但是具体是多大，我心里并吃不准，这就在我心里又种下了草。后来终于抽空进行了一次实践研究，把草拔掉了。
C语言测试
测试代码很简单，这就是一个for循环的函数调用。代码如下：
#include <stdio.h>
int func(int p){
return 1;
}
int main()
{
int i;
for(i=0; i<100000000; i++){
func(2);
}
return 0;
}
函数调用耗时测试
我们用 time命令来进行耗时测试
# gcc main.c -o main
# time ./main
real 0m0.335s
user 0m0.334s
sys 0m0.000s
#perf stat ./main
......
1,100,989,673 instructions # 1.37 insns per cycle
......
不过上面的实验中有个多余的开销，那就是for循环。我们单独计算一下这个for的开销，把func()调用那行注释掉，单独保留1亿次的for循环，再重新编译执行一遍。结果是
time ./main
real 0m0.293s
user 0m0.292s
sys 0m0.000s
perf stat ./main
......
301,252,997 instructions # 0.43 insns per cycle
......
通过上面两步测试的数据，(0.335-0.293)/100000000=0.4ns。我们可以得出 结论1：每个c函数调用耗时大约是0.4ns左右。
函数调用CPU指令数分析
我们用 perf命令可以统计到程序运行的底层CPU指令个数。1亿次的函数调用统计结果如下：
# perf stat ./main
......
1,100,989,673 instructions # 1.37 insns per cycle
......
去掉for循环后，单独1亿次的for循环统计如下：
# perf stat ./main
......
301,252,997 instructions # 0.43 insns per cycle
......
通过这两个数据，(1,100,989,673-301,252,997)/100000000=8个。所以我们得出 结论2：每个c函数需要的CPU指令数是8个！ 。
函数调用CPU指令剖析
如果有同学和我一样好奇结论2中的每个c函数的CPU指令到底干了些啥，请和我一起来，否则请开启3倍速快进。还是上述的实验代码，我们通过gdb的disassemble来查看一下其内部汇编执行过程,编译之。
gcc -g main.c -o main
再用gdb命令调试：
gdb ./main
start
disassemble
mov $0x2,%edi
看到函数到了main函数处，并打印出了main函数的汇编代码
......
=> 0x0000000000400486 <+4>: mov $0x2,%edi
0x000000000040048b <+9>: callq 0x400474 <func>
......
这是 进入函数调用的两个CPU指令 ，每个指令大概含义如下：
mov $0x2,%edi
callq
接下来让我们进入到func函数内部看一下：
break func
run
这时函数停在了func函数的入口处, 继续使用gdb的disassemble命令查看汇编指令：
(gdb) disassemble
Dump of assembler code for function func:
0x0000000000400474 <+0>: push %rbp
0x0000000000400475 <+1>: mov %rsp,%rbp
0x0000000000400478 <+4>: mov %edi,-0x4(%rbp)
=> 0x000000000040047b <+7>: mov $0x1,%eax
0x0000000000400480 <+12>: leaveq
0x0000000000400481 <+13>: retq
End of assembler dump.
这6个指令是对应在函数内部执行，以及函数返回的操作。加上前面2个，这样在结论2中的每个函数8个CPU指令就都水落石出了。
指令3： push %rbpbp寄存器的值压入调用栈，即将main函数栈帧的栈底地址入栈（对应一次压栈操作，内存IO）
指令4： mov %rsp,%rbp被调函数的栈帧栈底地址放入bp寄存器，建立func函数的栈帧（一次寄存器操作）。
指令5： mov %edi,-0x4(%rbp)是从寄存器的地址-4的内存中取出，即获取输入参数（内存IO）
指令6： mov $0x1,%eax对应return 0，即是将返回参数写到寄存器中（内存读IO）
再接下来的两个执行令是进行调用栈的退栈，以便于返回到main函数继续执行。是指令3和指令4的逆操作。
指令7： leave q等价于mov %rbp, %rsp，寄存器操作
指令8： retq等价于pop %rbp（内存IO）
总结：8次CPU指令中大部分都是寄存器的操作，即使有“内存IO”，也是在栈上进行。而栈操作密集，符合局部性原理，早就被L1缓存住了，其实都是L1的IO，所以耗时很低。前面实验结果表明1次函数调用的开销是0.4ns， 耗时竟然小于1次真正物理内存IO的耗时（40ns左右）。
指令并行
不知道大家有没有人注意到，前面两次perf stat的结果中分别有如下两个提示
0.43 insns per cycle
1.37 insns per cycle
这是说现代的CPU可以通过流水线的方式对CPU指令进行并行处理，当指令符合并行规则的时候，每个CPU周期内执行的指令数可能会大于1。这就是 CPU指令并行 的功劳。 所以增加函数调用后耗时并没有增加太多，除了函数调用本身开销不大的原因以外，还有一个原因就是函数调用让CPU的流水线并行技术得以施展，每秒处理的CPU指令数更多了。
PHP语言测试
很多同学又会问题，你用的是C语言进行测试，性能当然高了。
“我用的可是PHP，这可是脚本语言”
“我用的可是Java，中间可还有一层虚拟机”
“我用的可是...”
好了，不抬杠，我们继续试一试不就完了么。就用php来继续实验一把。
<?php
function func(){
return true;
}
for($i=0;$i<10000000;$i++){
func();
}
实验结果：
php7： 1000W次耗时0.667s，减去0.140s的for循环耗时，平均每次函数调用耗时52ns
php53：1000W次耗时2.1s，减去0.5s的for循环耗时，平均每次耗时160ns
结论
php的函数调用确实比c的要慢很多，从不到1ns升高到了50ns左右。因为php又用c虚拟了一层指令集，这层指令集还需要变成CPU的指令集后才可以真正运行。但是要知道的是ns这个时间单位太小了，假如你用的框架特别变态，一个用户请求来了直接就搞了1000次的函数调用，那么消耗在函数调用上的时间会是50ns*1000=50us。这和代码框架化后给团队项目带来的便利性来对比的话，这点时间开销，我觉得仍然是可以忽略的。
好了，今天的分享就到这里了。看到这里，你是不是对“C语言”又有了一点新的认知呢~如果你喜欢这篇文章的话，动动小指，加个关注哦~
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