Co je to Managed Language?

Co je to managed jazyk?

Managed jazyk je, na rozdíl od unmanaged jazyků – tedy jazyků, které pouze vykonávají logiku napsanou programátorem bez výraznějších zásahů – jazyk, který za běhu (runtime) spravuje GC, runtime optimalizace, green threads, zpracování konkurence apod., čímž uživatele zbavuje nutnosti provádět rizikovou nízkoúrovňovou správu. U těchto jazyků existuje výhoda, že se vývojář může plně soustředit na byznys logiku, avšak na druhou stranu může program fungovat odlišně od intuice programátora, což si občas vyžaduje sofistikované runtime ladění. Nejprve se podíváme na jazyk Go, který ze všech managed jazyků nejvěrněji následuje minimalistickou filozofii a jehož assembly je transparentní.

Binární struktura jazyka Go

Pohled pouze na funkci main v Go

Nejprve vytvořme jednoduchý vzorový zdrojový kód main.go a podívejme se na main na stroji AMD64.

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

Následně jej sestavíme takto:

1go build main.go
2

Go podporuje nástroj go tool pro snadné nízkoúrovňové ladění. V nástroji go tool zadáme tento příkaz, abychom viděli pouze assembly odpovídající hlavní funkci v hlavním balíčku:

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

Assembly

 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

• Po porovnání stack guard hodnoty uvnitř registru řídicího bloku gorutiny (R14) s aktuálním ukazatelem zásobníku (SP) pomocí instrukce CMPQ se ověří, zda je prostor v rámci stack frame gorutiny dostatečný; pokud není, provede se skok (JBE) na adresu 0x468f95, což je Entrypoint pro rozšíření zásobníku.
• Pro uložení předchozího base pointeru se tento pomocí PUSHQ BP vloží na zásobník.
• Do registru base pointeru (BP) se zkopíruje aktuální ukazatel zásobníku (SP), čímž se zafixuje referenční bod zásobníku na začátku funkce.
• Následně je alokováno 16 bajtů prostoru zásobníku pro lokální proměnné (SUBQ $0x10, SP) a pomocí NOPL jsou vloženy virtuální instrukce pro zarovnání mezipaměti CPU.
• Pro synchronizaci standardního výstupu interního řetězce v runtime Go se volá runtime.printlock(SB), čímž se vytvoří zámek.
• Pomocí instrukce LEAQ se počáteční adresa konstantně alokovaného řetězce ("Hello World") uloží do registru AX, který se podle specifikace Go ABI používá jako první parametr mezi univerzálními registry.
• Poté se hodnota představující délku řetězce uloží do druhého parametrového registru BX. (MOVL $0xb, BX, tedy 11 v desítkové soustavě).
• Volá se runtime.printstring(SB), který na základě informací v AX (adresa dat) a BX (délka) provede výstup do konzole.
• Pro zpracování zalomení řádku se volá runtime.printnl(SB).
• Po dokončení výstupu se zámek uvolní pomocí runtime.printunlock(SB).
• Pomocí ADDQ $0x10, SP se obnoví alokovaná 16bajtová paměť zásobníku.
• Pomocí POPQ BP se obnoví původní base pointer.
• Pomocí RET se řízení vrací na místo, odkud byla funkce volána.
• Pokud při prvotní kontrole zásobníku nebyl prostor dostatečný, volá se na adrese 0x468f95 funkce runtime.morestack_noctxt.abi0(SB), která dynamicky rozšíří runtime zásobníku, jak se na managed jazyk sluší.
• Po dokončení rozšíření zásobníku se program vrací (JMP) na vstupní bod main.main(SB). Jak je patrné, assembly byznys logiky je poměrně přehledná a je pouze doplněna o lehkou správu runtime.

Bez optimalizace

Výše uvedená podoba je výsledkem automatického inliningu dvou samostatných funkcí kompilátorem Go. Pro účely učení však v tomto případě inlining funkce sayHello potlačíme. Toho dosáhneme zkompilováním zdrojového kódu s následujícím příznakem:

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

Pokud výsledek zobrazíme v shellu, zjistíme přítomnost duplicitní assembly.

 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

Po vypnutí inliningu jsou vloženy operace MOVQ, které znovu ukládají hodnoty na offsety ukazatele zásobníku, jako je 0x20(SP), aby byly v souladu s konvencí volání funkcí zachovány parametry (AX, BX). Tím je potvrzeno, že kompilátor optimalizuje právě tyto zbytečné operace přesunu v paměti a režii volání.

Příště

Příště se budeme zabývat příkazy if a switch v jazyce Go. Pokud mi to čas dovolí, budu se v budoucnu věnovat také analýze sekcí runtime v Go.