Análisis de la estructura en tiempo de ejecución de los lenguajes gestionados y del ensamblador AMD64 de los binarios de Go

¿Qué es un managed language?
Un managed language es un lenguaje que, a diferencia de los unmanaged languages, es decir, aquellos que solo ejecutan la lógica escrita por el programador sin apartarse significativamente de ella, ejecuta en el runtime tareas como GC, optimizaciones en tiempo de ejecución, green threads y el manejo de concurrency, de modo que el usuario no necesita realizar una gestión de bajo nivel y riesgosa. En este tipo de lenguajes, existe la ventaja de que el desarrollador puede concentrarse por completo en la lógica de negocio, pero, por otro lado, el comportamiento real del programa puede diferir de la intuición del programador, por lo que en ocasiones es necesario un ajuste fino del runtime. En primer lugar, examinaremos el lenguaje Go, que entre los managed languages es el que más fielmente sigue una filosofía minimalista y cuyo ensamblador resulta más directo.
Estructura binaria de Go
| .text | .data | .gopclntab, .typelink, etc. |
|---|---|---|
| Código de máquina a ejecutar | Datos a almacenar | Secciones del runtime del lenguaje |
Go no traduce el código escrito por el usuario a código de máquina de forma uno a uno, por lo que la lógica de la sección .text está estrechamente relacionada con las secciones del runtime del lenguaje. Además, funciones que el usuario no escribió, como runtime.printnl(), se añaden al ensamblador de la sección .text. Mediante esta inserción automática de código, Go ayuda a liberar al desarrollador de la gestión manual.
Observación únicamente de la función main en Go
En primer lugar, escribiremos un programa de ejemplo main.go y observaremos desde main en una máquina AMD64.
1package main
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3func sayHello(msg string) {
4 println(msg)
5}
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7func main() {
8 sayHello("Hello World")
9}
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Después, lo compilamos así.
1go build main.go
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Go ofrece go tool para facilitar la depuración de bajo nivel. Para ver únicamente el ensamblador correspondiente a la función main del paquete main, introducimos esta instrucción.
1go tool objdump -s "main\.main" ./main
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Ensamblador
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)
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- Compara el espacio disponible en el marco de pila de la goroutine actual mediante CMPQ, entre el valor del stack guard que se encuentra dentro del registro del bloque de control de la goroutine (R14) y el puntero de pila actual (SP). Si el espacio es insuficiente, salta (JBE) a la dirección 0x468f95, que es el Entrypoint para la expansión de la pila.
- Inserta el base pointer anterior en la pila mediante PUSHQ BP para guardarlo.
- Copia el puntero de pila actual (SP) en el registro del base pointer (BP) para fijar la referencia de la pila al inicio de la función.
- A continuación, reserva 16 bytes de espacio de pila para variables locales (SUBQ $0x10, SP) y utiliza NOPL para rellenar con instrucciones virtuales y realizar la alineación para la caché de la CPU.
- Llama a runtime.printlock(SB) para adquirir el lock que sincroniza la salida estándar de cadenas internas del runtime de Go.
- Mediante la instrucción LEAQ, almacena en AX, que según la convención ABI de Go es el primer parámetro, la dirección de inicio de la cadena constante ("Hello World").
- Después, guarda en BX, el segundo registro de parámetros, el valor que representa la longitud de la cadena (MOVL $0xb, BX, es decir, 11 en decimal).
- Llama a runtime.printstring(SB) para imprimir en la consola con base en la información de AX (dirección de los datos) y BX (longitud) que se le ha pasado.
- Llama a runtime.printnl(SB) para realizar el salto de línea.
- Como la salida ha finalizado, libera el lock mediante runtime.printunlock(SB).
- Restaura la memoria de pila de 16 bytes reservada mediante ADDQ $0x10, SP.
- Restaura el base pointer original mediante POPQ BP.
- Devuelve el control al punto desde el que se llamó a la función mediante RET.
- Si en la verificación inicial de la pila faltaba espacio, llama a runtime.morestack_noctxt.abi0(SB), ubicada en la dirección 0x468f95, para ampliar dinámicamente la pila del runtime, como corresponde a un managed language.
- Cuando la expansión de la pila finaliza, vuelve (JMP) al punto de entrada de main.main(SB). Como se observa, el ensamblador de la lógica de negocio es bastante claro y presenta únicamente una gestión ligera añadida por el runtime.
Cuando no hay optimización
La forma anterior es el resultado de que el compilador de Go haya realizado automáticamente inlining de las dos funciones separadas para optimizarlas. Sin embargo, con fines de aprendizaje, en este caso impediremos que sayHello sea objeto de inlining. Para ello, compilamos el código con la siguiente flag.
1go build -gcflags="-l" main.go
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Si mostramos el resultado en la terminal, se observan fragmentos de ensamblador duplicados.
1yjlee@elegant:~/compare-assembly/go$ go build -gcflags="-l" main.go
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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)
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Al desactivar el inlining, para preservar los parámetros (AX, BX) conforme a la convención de llamada de funciones, se insertan operaciones MOVQ que vuelven a cargar los valores en desplazamientos del puntero de pila como 0x20(SP). En otras palabras, se confirma que lo que optimiza el compilador son precisamente estas operaciones innecesarias de movimiento de memoria y la sobrecarga de las llamadas a función.
Próxima sesión
En la próxima sesión trataremos las sentencias if y switch en Go. Si dispongo de tiempo más adelante, también analizaré las secciones del runtime de Go.