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[#]: collector: (lujun9972)
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[#]: translator: (lxbwolf)
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[#]: reviewer: (wxy)
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[#]: publisher: (wxy)
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[#]: url: (https://linux.cn/article-12184-1.html)
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[#]: subject: (Mid-stack inlining in Go)
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[#]: via: (https://dave.cheney.net/2020/05/02/mid-stack-inlining-in-go)
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[#]: author: (Dave Cheney https://dave.cheney.net/author/davecheney)
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Go 中对栈中函数进行内联
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[上一篇文章][1]中我论述了<ruby>叶子内联<rt>leaf inlining</rt></ruby>是怎样让 Go 编译器减少函数调用的开销的，以及延伸出了跨函数边界的优化的机会。本文中，我要论述内联的限制以及叶子内联与<ruby>栈中内联<rt>mid-stack inlining</rt></ruby>的对比。
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### 内联的限制
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把函数内联到它的调用处消除了调用的开销，为编译器进行其他的优化提供了更好的机会，那么问题来了，既然内联这么好，内联得越多开销就越少，*为什么不尽可能多地内联呢？*
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内联可能会以增加程序大小换来更快的执行时间。限制内联的最主要原因是，创建许多函数的内联副本会增加编译时间，并导致生成更大的二进制文件的边际效应。即使把内联带来的进一步的优化机会考虑在内，太激进的内联也可能会增加生成的二进制文件的大小和编译时间。
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内联收益最大的是[小函数][2]，相对于调用它们的开销来说，这些函数做很少的工作。随着函数大小的增长，函数内部做的工作与函数调用的开销相比省下的时间越来越少。函数越大通常越复杂，因此优化其内联形式相对于原地优化的好处会减少。
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### 内联预算
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在编译过程中，每个函数的内联能力是用*内联预算*计算的 [^1]。开销的计算过程可以巧妙地内化，像一元和二元等简单操作，在<ruby>抽象语法数<rt>Abstract Syntax Tree</rt></ruby>（AST）中通常是每个节点一个单位，更复杂的操作如 `make` 可能单位更多。考虑下面的例子：
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```go
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package main
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func small() string {
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s := "hello, " + "world!"
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return s
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}
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func large() string {
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s := "a"
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s += "b"
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s += "c"
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s += "d"
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s += "e"
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s += "f"
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s += "g"
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s += "h"
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s += "i"
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s += "j"
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s += "k"
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s += "l"
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s += "m"
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s += "n"
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s += "o"
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s += "p"
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s += "q"
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s += "r"
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s += "s"
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s += "t"
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s += "u"
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s += "v"
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s += "w"
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s += "x"
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s += "y"
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s += "z"
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return s
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}
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func main() {
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small()
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large()
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}
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```
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使用 `-gcflags=-m=2` 参数编译这个函数能让我们看到编译器分配给每个函数的开销：
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```bash
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% go build -gcflags=-m=2 inl.go
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# command-line-arguments
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./inl.go:3:6: can inline small with cost 7 as: func() string { s := "hello, world!"; return s }
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./inl.go:8:6: cannot inline large: function too complex: cost 82 exceeds budget 80
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./inl.go:38:6: can inline main with cost 68 as: func() { small(); large() }
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./inl.go:39:7: inlining call to small func() string { s := "hello, world!"; return s }
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```
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编译器根据函数 `func small()` 的开销（7）决定可以对它内联，而 `func large()` 的开销太大，编译器决定不进行内联。`func main()` 被标记为适合内联的，分配了 68 的开销；其中 `small` 占用 7，调用 `small` 函数占用 57，剩余的（4）是它自己的开销。
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可以用 `-gcflag=-l` 参数控制内联预算的等级。下面是可使用的值：
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* `-gcflags=-l=0` 默认的内联等级。
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* `-gcflags=-l`（或 `-gcflags=-l=1`）取消内联。
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* `-gcflags=-l=2` 和 `-gcflags=-l=3` 现在已经不使用了。和 `-gcflags=-l=0` 相比没有区别。
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* `-gcflags=-l=4` 减少非叶子函数和通过接口调用的函数的开销。[^2]
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#### 不确定语句的优化
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一些函数虽然内联的开销很小，但由于太复杂它们仍不适合进行内联。这就是函数的不确定性，因为一些操作的语义在内联后很难去推导，如 `recover`、`break`。其他的操作，如 `select` 和 `go` 涉及运行时的协调，因此内联后引入的额外的开销不能抵消内联带来的收益。
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不确定的语句也包括 `for` 和 `range`，这些语句不一定开销很大，但目前为止还没有对它们进行优化。
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### 栈中函数优化
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在过去，Go 编译器只对叶子函数进行内联 —— 只有那些不调用其他函数的函数才有资格。在上一段不确定的语句的探讨内容中，一次函数调用就会让这个函数失去内联的资格。
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进入栈中进行内联，就像它的名字一样，能内联在函数调用栈中间的函数，不需要先让它下面的所有的函数都被标记为有资格内联的。栈中内联是 David Lazar 在 Go 1.9 中引入的，并在随后的版本中做了改进。[这篇文稿][5]深入探究了保留栈追踪行为和被深度内联后的代码路径里的 `runtime.Callers` 的难点。
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在前面的例子中我们看到了栈中函数内联。内联后，`func main()` 包含了 `func small()` 的函数体和对 `func large()` 的一次调用，因此它被判定为非叶子函数。在过去，这会阻止它被继续内联，虽然它的联合开销小于内联预算。
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栈中内联的最主要的应用案例就是减少贯穿函数调用栈的开销。考虑下面的例子：
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```go
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package main
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import (
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"fmt"
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"strconv"
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)
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type Rectangle struct {}
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//go:noinline
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func (r *Rectangle) Height() int {
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h, _ := strconv.ParseInt("7", 10, 0)
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return int(h)
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}
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func (r *Rectangle) Width() int {
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return 6
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}
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func (r *Rectangle) Area() int { return r.Height() * r.Width() }
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func main() {
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var r Rectangle
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fmt.Println(r.Area())
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}
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```
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在这个例子中， `r.Area()` 是个简单的函数，调用了两个函数。`r.Width()` 可以被内联，`r.Height()` 这里用 `//go:noinline` 指令标注了，不能被内联。[^3]
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```bash
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% go build -gcflags='-m=2' square.go
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# command-line-arguments
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./square.go:12:6: cannot inline (*Rectangle).Height: marked go:noinline
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./square.go:17:6: can inline (*Rectangle).Width with cost 2 as: method(*Rectangle) func() int { return 6 }
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./square.go:21:6: can inline (*Rectangle).Area with cost 67 as: method(*Rectangle) func() int { return r.Height() * r.Width() }
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./square.go:21:61: inlining call to (*Rectangle).Width method(*Rectangle) func() int { return 6 }
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./square.go:23:6: cannot inline main: function too complex: cost 150 exceeds budget 80
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./square.go:25:20: inlining call to (*Rectangle).Area method(*Rectangle) func() int { return r.Height() * r.Width() }
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./square.go:25:20: inlining call to (*Rectangle).Width method(*Rectangle) func() int { return 6 }
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```
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由于 `r.Area()` 中的乘法与调用它的开销相比并不大，因此内联它的表达式是纯收益，即使它的调用的下游 `r.Height()` 仍是没有内联资格的。
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#### 快速路径内联
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关于栈中内联的效果最令人吃惊的例子是 2019 年 [Carlo Alberto Ferraris][7] 通过允许把 `sync.Mutex.Lock()` 的快速路径（非竞争的情况）内联到它的调用方来[提升它的性能][7]。在这个修改之前，`sync.Mutex.Lock()` 是个很大的函数，包含很多难以理解的条件，使得它没有资格被内联。即使锁可用时，调用者也要付出调用 `sync.Mutex.Lock()` 的代价。
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Carlo 把 `sync.Mutex.Lock()` 分成了两个函数（他自己称为<ruby>外联<rt>outlining</rt></ruby>）。外部的 `sync.Mutex.Lock()` 方法现在调用 `sync/atomic.CompareAndSwapInt32()` 且如果 CAS（<ruby>比较并交换<rt>Compare and Swap</rt></ruby>）成功了之后立即返回给调用者。如果 CAS 失败，函数会走到 `sync.Mutex.lockSlow()` 慢速路径，需要对锁进行注册，暂停 goroutine。[^4]
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```bash
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% go build -gcflags='-m=2 -l=0' sync 2>&1 | grep '(*Mutex).Lock'
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../go/src/sync/mutex.go:72:6: can inline (*Mutex).Lock with cost 69 as: method(*Mutex) func() { if "sync/atomic".CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) { if race.Enabled { }; return }; m.lockSlow() }
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```
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通过把函数分割成一个简单的不能再被分割的外部函数，和（如果没走到外部函数就走到的）一个处理慢速路径的复杂的内部函数，Carlo 组合了栈中函数内联和[编译器对基础操作的支持][9]，减少了非竞争锁 14% 的开销。之后他在 `sync.RWMutex.Unlock()` 重复这个技巧，节省了另外 9% 的开销。
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[^1]: 不同发布版本中，在考虑该函数是否适合内联时，Go 编译器对同一函数的预算是不同的。
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[^2]: 时刻记着编译器的作者警告过[“更高的内联等级（比 -l 更高）可能导致错误或不被支持”][11]。 Caveat emptor。
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[^3]: 编译器有足够的能力来内联像 `strconv.ParseInt` 的复杂函数。作为一个实验，你可以尝试去掉 `//go:noinline` 注释，使用 `-gcflags=-m=2` 编译后观察。
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[^4]: `race.Enable` 表达式是通过传递给 `go` 工具的 `-race` 参数控制的一个常量。对于普通编译，它的值是 `false`，此时编译器可以完全省略代码路径。
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### 相关文章：
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1. [Go 中的内联优化][15]
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2. [goroutine 的栈为什么会无限增长？][16]
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3. [栈追踪和 errors 包][17]
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4. [零值是什么，为什么它很有用？][18]
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via: https://dave.cheney.net/2020/05/02/mid-stack-inlining-in-go
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作者：[Dave Cheney][a]
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选题：[lujun9972][b]
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译者：[lxbwolf](https://github.com/lxbwolf)
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校对：[wxy](https://github.com/wxy)
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本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译，[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出
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[a]: https://dave.cheney.net/author/davecheney
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[b]: https://github.com/lujun9972
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[1]: https://linux.cn/article-12176-1.html
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[2]: https://medium.com/@joshsaintjacque/small-functions-considered-awesome-c95b3fd1812f
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[3]: tmp.FyRthF1bbF#easy-footnote-bottom-1-4076 (The budget the Go compiler applies to each function when considering if it is eligible for inlining changes release to release.)
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[4]: tmp.FyRthF1bbF#easy-footnote-bottom-2-4076 (Keep in mind that the compiler authors warn that “<a href="https://github.com/golang/go/blob/be08e10b3bc07f3a4e7b27f44d53d582e15fd6c7/src/cmd/compile/internal/gc/inl.go#L11">Additional levels of inlining (beyond -l) may be buggy and are not supported”</a>. Caveat emptor.)
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[5]: https://docs.google.com/presentation/d/1Wcblp3jpfeKwA0Y4FOmj63PW52M_qmNqlQkNaLj0P5o/edit#slide=id.p
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[6]: tmp.FyRthF1bbF#easy-footnote-bottom-3-4076 (The compiler is powerful enough that it can inline complex functions like <code>strconv.ParseInt</code>. As a experiment, try removing the <code>//go:noinline</code> annotation and observe the result with <code>-gcflags=-m=2</code>.)
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[7]: https://go-review.googlesource.com/c/go/+/148959
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[8]: tmp.FyRthF1bbF#easy-footnote-bottom-4-4076 (The expression <code>race.Enable</code> is a constant controlled by the <code>-race</code> flag passed to the <code>go</code> tool. It is <code>false</code> for normal builds which allows the compiler to elide those code paths entirely.)
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[9]: https://dave.cheney.net/2019/08/20/go-compiler-intrinsics
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||
[10]: tmp.FyRthF1bbF#easy-footnote-1-4076
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||
[11]: https://github.com/golang/go/blob/be08e10b3bc07f3a4e7b27f44d53d582e15fd6c7/src/cmd/compile/internal/gc/inl.go#L11
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||
[12]: tmp.FyRthF1bbF#easy-footnote-2-4076
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||
[13]: tmp.FyRthF1bbF#easy-footnote-3-4076
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||
[14]: tmp.FyRthF1bbF#easy-footnote-4-4076
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[15]: https://dave.cheney.net/2020/04/25/inlining-optimisations-in-go (Inlining optimisations in Go)
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[16]: https://dave.cheney.net/2013/06/02/why-is-a-goroutines-stack-infinite (Why is a Goroutine’s stack infinite ?)
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[17]: https://dave.cheney.net/2016/06/12/stack-traces-and-the-errors-package (Stack traces and the errors package)
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[18]: https://dave.cheney.net/2013/01/19/what-is-the-zero-value-and-why-is-it-useful (What is the zero value, and why is it useful?)
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