GoSuda

Analýza běhové struktury řízených jazyků a assembleru AMD64 pro binárních souborů Go

By Lee Yunjin views ...

Co jsou spravované jazyky?

Spravovaný jazyk je jazyk, který na rozdíl od nespravovaných jazyků, tedy jazyků, v nichž programátor v podstatě pouze provádí logiku, kterou napsal, zajišťuje v běhovém prostředí GC, runtime optimalizace, zelená vlákna, zpracování souběžnosti a další úlohy, takže uživatel nemusí provádět nebezpečnou nízkoúrovňovou správu. U takových jazyků je výhodou, že se vývojář může soustředit na byznys logiku a plně se ponořit do vývoje, na druhou stranu však může být chování programu odlišné od programátorova očekávání, a proto je občas nutné provádět pečlivé ladění běhového prostředí. Nejprve se podíváme na jazyk Go, který je mezi spravovanými jazyky nejvěrnější minimalistické filozofii a jehož assembler je přímočarý.

Struktura binárního souboru jazyka Go

.text.data.gopclntab, .typelink atd.
Strojový kód k vykonáníData k uloženíSekce běhového prostředí jazyka

Jazyk Go nepřekládá kód do strojového jazyka 1:1 podle toho, jak jej uživatel zapsal, a proto je logika v sekci .text úzce propojena se sekcí běhového prostředí. Dále se do assembleru sekce .text přidávají funkce, které uživatel nenapsal, například runtime.printnl(). Díky tomuto automatickému vkládání kódu Go pomáhá vývojáři zbavit se ruční správy paměti.

Pohled pouze na funkci main v Go

Nejprve si vytvoříme jednoduchý příkladový zdrojový soubor main.go a podíváme se na funkci main na počítači s architekturou AMD64.

 1package main
 2
 3func sayHello(msg string) {
 4    println(msg)
 5}
 6
 7func main() {
 8    sayHello("Hello World")
 9}
10

Poté jej sestavíme tímto příkazem.

1go build main.go
2

Go pro snadné nízkoúrovňové ladění nabízí nástroj go tool. Abychom zobrazili pouze assembler funkce main z hlavního balíčku, zadáme tento příkaz.

1go tool objdump -s "main\.main" ./main
2

Assembler

 1TEXT main.main(SB) /home/yjlee/compare-assembly/go/main.go
 2  main.go:7             0x468f60                493b6610                CMPQ SP, 0x10(R14)
 3  main.go:7             0x468f64                762f                    JBE 0x468f95
 4  main.go:7             0x468f66                55                      PUSHQ BP
 5  main.go:7             0x468f67                4889e5                  MOVQ SP, BP
 6  main.go:7             0x468f6a                4883ec10                SUBQ $0x10, SP
 7  main.go:8             0x468f6e                90                      NOPL
 8  main.go:4             0x468f6f                e8cca3fcff              CALL runtime.printlock(SB)
 9  main.go:4             0x468f74                488d05da290100          LEAQ 0x129da(IP), AX
10  main.go:4             0x468f7b                bb0b000000              MOVL $0xb, BX
11  main.go:4             0x468f80                e83bacfcff              CALL runtime.printstring(SB)
12  main.go:4             0x468f85                e8f6a5fcff              CALL runtime.printnl(SB)
13  main.go:4             0x468f8a                e811a4fcff              CALL runtime.printunlock(SB)
14  main.go:9             0x468f8f                4883c410                ADDQ $0x10, SP
15  main.go:9             0x468f93                5d                      POPQ BP
16  main.go:9             0x468f94                c3                      RET
17  main.go:7             0x468f95                e8e6afffff              CALL runtime.morestack_noctxt.abi0(SB)
18  main.go:7             0x468f9a                ebc4                    JMP main.main(SB)
19
  • Porovná se hodnota stránkové ochrany zásobníku uložená v registru ukazatele na řídicí blok gorutiny (R14) s aktuálním ukazatelem zásobníku (SP) pomocí CMPQ, zda je k dispozici dostatek místa pro rámec zásobníku gorutiny. Pokud místa není dost, provede skok (JBE) na adresu 0x468f95, která je vstupním bodem pro rozšíření zásobníku.
  • Předchozí ukazatel báze se uloží na zásobník pomocí PUSHQ BP.
  • Aktuální ukazatel zásobníku (SP) se zkopíruje do registru ukazatele báze (BP), čímž se pevně stanoví výchozí bod zásobníku na začátku funkce.
  • Poté se alokuje 16 bajtů prostoru pro lokální proměnné na zásobníku (SUBQ $0x10, SP) a pomocí NOPL se doplní virtuální instrukce za účelem zarovnání pro cache CPU.
  • Pro synchronizaci standardního výstupu řetězců v běhovém prostředí Go se volá runtime.printlock(SB), které získá zámek.
  • Instrukce LEAQ uloží počáteční adresu řetězce s konstantní hodnotou ("Hello World") do registru AX, který podle konvence Go ABI slouží jako první parametr.
  • Délka řetězce se poté uloží do registru BX, který slouží jako druhý parametr (MOVL $0xb, BX, tj. v desítkové soustavě 11).
  • Volá se runtime.printstring(SB), které na základě předaných hodnot AX (adresa dat) a BX (délka) vypíše výstup do konzole.
  • Pro přechod na nový řádek se volá runtime.printnl(SB).
  • Výstup je hotový, proto se pomocí runtime.printunlock(SB) zámek uvolní.
  • ADDQ $0x10, SP obnoví 16bajtovou paměť zásobníku, která byla alokována.
  • POPQ BP obnoví předchozí ukazatel báze.
  • Instrukce RET předá řízení zpět na místo, odkud byla funkce zavolána.
  • Pokud kontrola zásobníku na začátku zjistila nedostatek místa, zavolá se runtime.morestack_noctxt.abi0(SB) na adrese 0x468f95, které dynamicky rozšíří zásobník běhového prostředí, jak je u spravovaných jazyků obvyklé.
  • Po dokončení rozšíření zásobníku se provede návrat (JMP) zpět na vstupní bod main.main(SB). Jak je vidět, assembler byznys logiky je poměrně přehledný a obsahuje pouze tenkou vrstvu správy běhového prostředí.

Případ bez optimalizací

Výše uvedená podoba je výsledkem toho, že kompilátor Go automaticky provedl inlining dvou samostatných funkcí a optimalizoval je. Pro účely studia však nyní zajistíme, aby se sayHello neinlinovalo. K tomu zdrojový kód zkompilujeme s následujícím příznakem.

1go build -gcflags="-l" main.go
2

Když výsledek vypíšeme v shellu, objeví se duplicitní assembler.

 1yjlee@elegant:~/compare-assembly/go$ go build -gcflags="-l" main.go
 2
 3go tool objdump -s "main\.sayHello" ./main
 4TEXT main.sayHello(SB) /home/yjlee/compare-assembly/go/main.go
 5  main.go:3             0x468f60                493b6610               CMPQ SP, 0x10(R14)
 6  main.go:3             0x468f64                7636                   JBE 0x468f9c
 7  main.go:3             0x468f66                55                     PUSHQ BP
 8  main.go:3             0x468f67                4889e5                 MOVQ SP, BP
 9  main.go:3             0x468f6a                4883ec10               SUBQ $0x10, SP
10  main.go:5             0x468f6e                4889442420             MOVQ AX, 0x20(SP)
11  main.go:5             0x468f73                48895c2428             MOVQ BX, 0x28(SP)
12  main.go:4             0x468f78                e8c3a3fcff             CALL runtime.printlock(SB)
13  main.go:4             0x468f7d                488b442420             MOVQ 0x20(SP), AX
14  main.go:4             0x468f82                488b5c2428             MOVQ 0x28(SP), BX
15  main.go:4             0x468f87                e834acfcff             CALL runtime.printstring(SB)
16  main.go:4             0x468f8c                e8efa5fcff             CALL runtime.printnl(SB)
17  main.go:4             0x468f91                e80aa4fcff             CALL runtime.printunlock(SB)
18  main.go:5             0x468f96                4883c410               ADDQ $0x10, SP
19  main.go:5             0x468f9a                5d                     POPQ BP
20  main.go:5             0x468f9b                c3                     RET
21  main.go:3             0x468f9c                4889442408             MOVQ AX, 0x8(SP)
22  main.go:3             0x468fa1                48895c2410             MOVQ BX, 0x10(SP)
23  main.go:3             0x468fa6                e8d5afffff             CALL runtime.morestack_noctxt.abi0(SB)
24  main.go:3             0x468fab                488b442408             MOVQ 0x8(SP), AX
25  main.go:3             0x468fb0                488b5c2410             MOVQ 0x10(SP), BX
26  main.go:3             0x468fb5                eba9                   JMP main.sayHello(SB)
27

Když se inlining vypne, vloží se do kódu instrukce MOVQ, které znovu ukládají hodnoty parametrů (AX, BX) na posun ukazatele zásobníku, např. 0x20(SP), aby byly zachovány podle konvence volání funkcí. Ukázalo se tedy, že optimalizace kompilátoru spočívá právě v odstranění těchto zbytečných přesunů paměti a režie volání.

Příště

Příště se budeme zabývat příkazy if a switch v jazyce Go. Pokud na to bude čas, plánujeme analyzovat také sekce běhového prostředí Go.