Cấu hình Build để Tối ưu Hiệu suất

Một trong những cách mạnh mẽ nhất để cải thiện hiệu suất Rust là thông qua cấu hình build - và điểm tuyệt vời là bạn không cần thay đổi code! Bài viết này sẽ hướng dẫn các cách cấu hình Cargo để tối ưu hóa tốc độ chạy, kích thước binary, và thời gian compile.

Hiểu về Profile

Rust có hai profile mặc định:

dev (development): Tối ưu cho tốc độ compile, không tối ưu code
release: Tối ưu cho hiệu suất runtime, compile chậm hơn

cargo build          # Sử dụng dev profile
cargo build --release # Sử dụng release profile

Sự khác biệt có thể lên đến 10-100x về tốc độ chạy!

Trade-offs (Đánh đổi)

“Most configuration choices will improve one or more characteristics while worsening one or more others.”

Hầu hết các lựa chọn cấu hình đều có sự đánh đổi:

Tăng tốc độ runtime ↔ Tăng thời gian compile
Giảm kích thước binary ↔ Giảm tốc độ runtime
Debug dễ hơn ↔ Binary lớn hơn

Hãy đo lường (benchmark) từng thay đổi để đảm bảo nó mang lại hiệu quả như mong đợi!

1. Tối ưu Tốc độ Runtime

1.1. Codegen Units

Theo mặc định, Rust chia code thành nhiều “codegen units” để compile song song nhanh hơn. Nhưng điều này giảm khả năng tối ưu hóa cross-crate.

[profile.release]
codegen-units = 1

Hiệu quả:

✅ Tăng tốc độ runtime (thường 5-15%)
✅ Giảm kích thước binary
❌ Tăng thời gian compile

Khi nào dùng: Production builds, khi hiệu suất quan trọng hơn thời gian compile.

1.2. Link-Time Optimization (LTO)

LTO cho phép compiler tối ưu hóa xuyên suốt các crate dependencies.

[profile.release]
lto = true  # hoặc "fat" - LTO đầy đủ
# lto = "thin"  # Cân bằng giữa tốc độ compile và tối ưu

Ba loại LTO:

Thin local LTO (mặc định): Chỉ tối ưu trong từng crate
Thin LTO (lto = "thin"): Tối ưu cross-crate, cân bằng
Fat LTO (lto = true hoặc "fat"): Tối ưu mạnh nhất

Hiệu quả:

✅ Cải thiện tốc độ 10-20% hoặc hơn
✅ Giảm kích thước binary
❌ Tăng thời gian compile đáng kể (có thể gấp đôi)

Ví dụ cấu hình cân bằng:

[profile.release]
lto = "thin"
codegen-units = 1

1.3. Alternative Allocators (Bộ cấp phát bộ nhớ)

Rust mặc định dùng system allocator, nhưng các allocator khác có thể nhanh hơn.

jemalloc

[dependencies]
tikv-jemallocator = "0.6"

#![allow(unused)]
fn main() {
use tikv_jemallocator::Jemalloc;

#[global_allocator]
static GLOBAL: Jemalloc = Jemalloc;
}

mimalloc

[dependencies]
mimalloc = "0.1"

#![allow(unused)]
fn main() {
use mimalloc::MiMalloc;

#[global_allocator]
static GLOBAL: MiMalloc = MiMalloc;
}

Hiệu quả:

Có thể tăng tốc độ 5-20% tùy workload
Giảm memory usage trong một số trường hợp
Đặc biệt hiệu quả với multi-threaded applications

Transparent Huge Pages (THP):

Với jemalloc, bạn có thể sử dụng huge pages:

MALLOC_CONF=thp:always ./myapp

1.4. CPU-Specific Instructions

Cho phép compiler sử dụng các instruction đặc thù của CPU (như AVX, AVX2, AVX-512).

[profile.release]
[target.'cfg(target_arch = "x86_64")']
rustflags = ["-C", "target-cpu=native"]

Hoặc build với:

RUSTFLAGS="-C target-cpu=native" cargo build --release

⚠️ Lưu ý: Binary chỉ chạy được trên CPU tương tự. Không phù hợp cho distribution.

Hiệu quả:

Cải thiện 10-30% với workload intensive (SIMD operations)
Không tốn thời gian compile thêm

1.5. Profile-Guided Optimization (PGO)

PGO là kỹ thuật nâng cao: compile, chạy với workload thực tế, rồi compile lại với thông tin profiling.

Bước 1: Build với instrumentation

RUSTFLAGS="-Cprofile-generate=/tmp/pgo-data" \
    cargo build --release

Bước 2: Chạy chương trình với workload đại diện

./target/release/myapp <typical-workload>

Bước 3: Rebuild với profile data

rustup run stable bash -c \
    'RUSTFLAGS="-Cprofile-use=/tmp/pgo-data/merged.profdata" \
     cargo build --release'

Hiệu quả:

Cải thiện 10-20% hoặc hơn
Đặc biệt tốt cho hot paths và branch prediction
Phức tạp để setup

2. Tối ưu Kích thước Binary

2.1. Optimization Level cho Size

[profile.release]
opt-level = "z"  # Tối ưu kích thước mạnh nhất
# opt-level = "s"  # Tối ưu kích thước ít mạnh hơn

Các level:

0: Không tối ưu
1: Tối ưu cơ bản
2: Tối ưu vừa phải
3: Tối ưu mạnh (mặc định cho release)
"s": Tối ưu cho size
"z": Tối ưu cho size mạnh nhất

Hiệu quả:

Giảm 10-30% kích thước binary
❌ Có thể giảm tốc độ runtime 5-15%

2.2. Panic Strategy

[profile.release]
panic = "abort"

Thay vì unwinding stack khi panic, chương trình sẽ abort ngay lập tức.

Hiệu quả:

Giảm đáng kể kích thước binary
❌ Không thể catch panic
❌ Không chạy destructors khi panic

2.3. Strip Debug Symbols

[profile.release]
strip = true  # hoặc "symbols" hoặc "debuginfo"

Hiệu quả:

Giảm kích thước binary đáng kể
❌ Khó debug khi có vấn đề production

2.4. Config cho Binary nhỏ nhất

Kết hợp tất cả:

[profile.release]
opt-level = "z"
lto = true
codegen-units = 1
panic = "abort"
strip = true

Thêm nữa với Cargo.toml:

[profile.release]
opt-level = "z"
lto = true
codegen-units = 1
panic = "abort"
strip = true

[dependencies]
# Sử dụng features minimal khi có thể
serde = { version = "1.0", default-features = false }

# .cargo/config.toml
[target.x86_64-unknown-linux-gnu]
linker = "clang"
rustflags = ["-C", "link-arg=-fuse-ld=mold"]

lld (Cross-platform)

# .cargo/config.toml
[target.x86_64-unknown-linux-gnu]
rustflags = ["-C", "link-arg=-fuse-ld=lld"]

Cài đặt:

# Linux
sudo apt install mold lld

# macOS
brew install llvm

Hiệu quả:

Giảm thời gian linking 50-80%
Không ảnh hưởng đến runtime performance

3.2. Tăng Codegen Units (Dev)

[profile.dev]
codegen-units = 256  # Mặc định là 256

Nhiều codegen units = compile song song nhiều hơn.

3.3. Tắt Debug Info trong Dev

[profile.dev]
debug = 0  # Tắt hoàn toàn
# debug = 1  # Debug info cơ bản

Hiệu quả:

Giảm thời gian compile 20-40%
Giảm disk usage
❌ Khó debug hơn với debugger

3.4. Incremental Compilation

[profile.dev]
incremental = true  # Mặc định đã bật

Cargo lưu trữ kết quả compile và chỉ compile lại phần thay đổi.

3.5. Sử dụng Workspace Dependencies

Nếu có nhiều crates, sử dụng workspace để tránh compile trùng lặp:

# Workspace Cargo.toml
[workspace]
members = ["crate1", "crate2", "crate3"]

[workspace.dependencies]
serde = "1.0"
tokio = "1.0"

4. Config Tổng hợp theo Mục đích

Config cho Production (Tốc độ tối đa)

[profile.release]
opt-level = 3
lto = "thin"
codegen-units = 1
panic = "abort"

[target.x86_64-unknown-linux-gnu]
rustflags = ["-C", "target-cpu=native"]

Config cho Development (Compile nhanh)

[profile.dev]
opt-level = 0
debug = 1
incremental = true

# .cargo/config.toml
[target.x86_64-unknown-linux-gnu]
linker = "clang"
rustflags = ["-C", "link-arg=-fuse-ld=mold"]

Config cho Distribution Binary (Size nhỏ)

[profile.release]
opt-level = "z"
lto = true
codegen-units = 1
panic = "abort"
strip = true

5. Công cụ Kiểm tra

Kiểm tra kích thước binary

# Xem tổng kích thước
ls -lh target/release/myapp

# Phân tích chi tiết
cargo bloat --release

So sánh hiệu quả LTO

# Không LTO
cargo build --release
hyperfine './target/release/myapp'

# Với LTO
# Thêm lto = true vào Cargo.toml
cargo build --release
hyperfine './target/release/myapp'

Đo thời gian compile

cargo clean
time cargo build --release

Best Practices

Benchmark mọi thay đổi - Đừng giả định, hãy đo lường
Bắt đầu với config đơn giản - Từng bước một
Khác nhau giữa dev và release - Dev cần compile nhanh, release cần chạy nhanh
Document config của bạn - Giải thích tại sao chọn từng option
Kiểm tra trên target platform - target-cpu=native chỉ tốt cho local

Ví dụ Thực tế: API Server

# Cargo.toml
[package]
name = "api-server"
version = "0.1.0"
edition = "2021"

[profile.release]
opt-level = 3           # Tối ưu tốc độ
lto = "thin"            # Cân bằng compile time và performance
codegen-units = 1       # Tối ưu tốt hơn
strip = true            # Binary nhỏ hơn
panic = "abort"         # Không cần unwinding

[profile.dev]
opt-level = 0
debug = 1               # Debug info cơ bản
incremental = true

[dependencies]
tokio = { version = "1", features = ["full"] }
axum = "0.7"

# .cargo/config.toml
[target.x86_64-unknown-linux-gnu]
linker = "clang"
rustflags = ["-C", "link-arg=-fuse-ld=mold"]

[target.x86_64-apple-darwin]
rustflags = ["-C", "link-arg=-fuse-ld=/opt/homebrew/opt/llvm/bin/ld64.lld"]

Tài liệu và Thử nghiệm

Thử nghiệm các config

Tạo script để test nhiều config:

#!/bin/bash
# benchmark-configs.sh

configs=(
    "default"
    "lto-thin"
    "lto-fat"
    "opt-size"
)

for config in "${configs[@]}"; do
    echo "Testing $config..."
    cp "configs/$config.toml" Cargo.toml
    cargo build --release
    hyperfine --warmup 3 './target/release/myapp'
done

Kết luận

Cấu hình build là một công cụ mạnh mẽ để cải thiện hiệu suất Rust mà không cần thay đổi code. Những điểm chính cần nhớ:

Release mode là bắt buộc cho production
LTO và codegen-units=1 là những cải thiện dễ dàng nhất
Alternative linkers giảm đáng kể compile time
Luôn benchmark để xác nhận cải thiện
Khác nhau giữa dev và release profiles

Mỗi dự án có nhu cầu khác nhau - hãy thử nghiệm và tìm ra config phù hợp nhất cho use case của bạn!

Tài liệu tham khảo:

Rust Tiếng Việt

Cấu hình Build để Tối ưu Hiệu suất

Hiểu về Profile

Trade-offs (Đánh đổi)

1. Tối ưu Tốc độ Runtime

1.1. Codegen Units

1.2. Link-Time Optimization (LTO)

1.3. Alternative Allocators (Bộ cấp phát bộ nhớ)

jemalloc

mimalloc

1.4. CPU-Specific Instructions

1.5. Profile-Guided Optimization (PGO)

2. Tối ưu Kích thước Binary

2.1. Optimization Level cho Size

2.2. Panic Strategy

2.3. Strip Debug Symbols

2.4. Config cho Binary nhỏ nhất

3. Tối ưu Thời gian Compile

3.1. Sử dụng Linker nhanh hơn

mold (Nhanh nhất, Linux)

lld (Cross-platform)

3.2. Tăng Codegen Units (Dev)

3.3. Tắt Debug Info trong Dev

3.4. Incremental Compilation

3.5. Sử dụng Workspace Dependencies

4. Config Tổng hợp theo Mục đích

Config cho Production (Tốc độ tối đa)

Config cho Development (Compile nhanh)

Config cho Distribution Binary (Size nhỏ)

5. Công cụ Kiểm tra

Kiểm tra kích thước binary

So sánh hiệu quả LTO

Đo thời gian compile

Best Practices

Ví dụ Thực tế: API Server

Tài liệu và Thử nghiệm

Thử nghiệm các config

Kết luận

Keyboard shortcuts

Rust Tiếng Việt