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

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 vykonání | Data k uložení | Sekce 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.