Mitä ovat Managed Languages?

Mitä on hallittu kieli (managed language)?

Hallittu kieli on kieli, joka toisin kuin hallitsemattomat kielet – eli kielet, joissa ohjelmoija suorittaa logiikan ilman merkittävää poikkeamaa kirjoitetusta koodista – suorittaa GC:n (garbage collection), runtime-optimoinnin, green threadit ja samanaikaisuuden hallinnan runtime-ympäristössä, jolloin käyttäjän ei tarvitse huolehtia vaativasta matalan tason hallinnasta. Tällaisten kielten kohdalla etuna on mahdollisuus keskittyä täysin liiketoimintalogiikkaan ja kehitystyöhön, mutta toisaalta ohjelmoijan intuitio ja ohjelman todellinen toiminta saattavat erota toisistaan, mikä voi edellyttää hienojakoista runtime-viritystä. Tarkastelemme ensin Go-kieltä, joka on hallituista kielistä minimalistiselle filosofialle uskollisin ja jonka assembly on suoraviivaista.

Go-kielen binäärirakenne

Go-kielen main-funktion tarkastelu

Kirjoitetaan ensin yksinkertainen esimerkkilähdekoodi main.go ja tarkastellaan sitä main-funktiosta alkaen AMD64-arkkitehtuurilla.

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

Tämän jälkeen suoritetaan kääntäminen seuraavasti:

1go build main.go
2

Go tukee go tool -työkalua matalan tason helppoa virheenkorjausta varten. Jotta main-paketissa nähtäisiin vain main-funktion assembly, syötetään seuraava komento:

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

• Tarkistetaan CMPQ-käskyllä, onko nykyinen goroutine-pinokehys riittävä vertaamalla goroutine-ohjauslohkon rekisterin (R14) sisäistä pinon vartija-arvoa nykyiseen pinon osoittimeen (SP). Jos tilaa on liian vähän, hypätään (JBE) osoitteeseen 0x468f95, joka on pinon laajentamisen Entrypoint.
• Tallennetaan edellinen base pointer pinoon PUSHQ BP -käskyllä.
• Kopioidaan nykyinen pinon osoitin (SP) base pointer (BP) -rekisteriin funktion alkupisteen kiinnittämiseksi.
• Varataan 16 tavua paikallisten muuttujien pinotilaa (SUBQ $0x10, SP) ja täytetään CPU-välimuistin tasaamiseksi tarvittavat kohdat NOPL-virtuaalikäskyillä.
• Kutsutaan runtime.printlock(SB)-funktiota sisäisen merkkijonon standarditulostuksen synkronoimiseksi ja lukituksen asettamiseksi.
• Tallennetaan LEAQ-käskyllä vakioksi määritetyn merkkijonon ("Hello World") aloitusosoite yleiskäyttöiseen AX-rekisteriin, jota käytetään Go ABI -standardin mukaisesti ensimmäisenä parametrina.
• Tallennetaan merkkijonon pituus toiseen parametrerekisteriin BX (MOVL $0xb, BX, eli desimaalilukuna 11).
• Kutsutaan runtime.printstring(SB)-funktiota, joka tulostaa konsoliin AX-rekisterin (dataosoite) ja BX-rekisterin (pituus) tietojen perusteella.
• Kutsutaan runtime.printnl(SB)-funktiota rivinvaihdon suorittamiseksi.
• Kun tulostus on valmis, vapautetaan lukitus kutsumalla runtime.printunlock(SB)-funktiota.
• Palautetaan varattu 16 tavun pinomuisti ADDQ $0x10, SP -käskyllä.
• Palautetaan aiempi base pointer POPQ BP -käskyllä.
• Palautetaan ohjaus kutsuvaan kohtaan RET-käskyllä.
• Jos alkuperäisessä pinotarkistuksessa todettiin tilan puute, kutsutaan osoitteessa 0x468f95 sijaitsevaa runtime.morestack_noctxt.abi0(SB)-funktiota, joka laajentaa pino-runtimea dynaamisesti hallitun kielen mukaisesti.
• Kun pinon laajennus on valmis, palataan takaisin (JMP) main.main(SB)-funktion aloituspisteeseen. Kuten nähdään, liiketoimintalogiikan assembly on varsin selkeää, ja siihen on lisätty vain kevyt runtime-hallinta.

Ilman optimointia

Yllä oleva muoto on tulos siitä, että Go-kääntäjä on automaattisesti optimoinut kaksi erillistä funktiota inlining-menetelmällä. Oppimistarkoituksessa emme kuitenkaan tässä tapauksessa inlinöi sayHello-funktiota. Tämä tehdään kääntämällä lähdekoodi seuraavalla lipulla:

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

Kun tulokset tarkastellaan komentoriviltä, havaitaan päällekkäistä assembly-koodia.

 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(SP)
27

Kun inlining poistetaan käytöstä, funktioiden kutsumisstandardin mukaisten parametrien (AX, BX) säilyttämiseksi lisätään MOVQ-operaatioita, jotka tallentavat arvot uudelleen pinon osoitteen poikkeamiin, kuten 0x20(SP). Täten on vahvistettu, että kääntäjän optimoinnin kohteena ovat juuri tällaiset tarpeettomat muistinsiirto-operaatiot ja kutsujen aiheuttama overhead.

Seuraavaksi

Seuraavalla kerralla käsittelemme Go-kielen if- ja switch-lausekkeita. Jos aikaa riittää, analysoimme myöhemmin myös Go-kielen runtime-osioita.