GoSudaManaged-kielen ajonaikainen rakenne ja Go-binäärien AMD64-assemblyanalyysi
Mitä on hallittu kieli?
Hallittu kieli on kieli, joka eroaa hallitsemattomasta kielestä, eli kielestä, jossa ohjelmoijan kirjoittama logiikka suoritetaan lähes sellaisenaan. Hallitut kielet suorittavat roskienkeruun (GC), ajonaikaisen optimoinnin, vihreät säikeet ja samanaikaisuuden käsittelyn ajonaikaisessa ympäristössä, jolloin käyttäjän ei tarvitse tehdä vaarallista matalan tason hallintaa. Tällaisten kielten etuna on, että kehittäjä voi keskittyä liiketoimintalogiikkaan ja uppoutua kehitykseen. Toisaalta ohjelmoijan intuitio ja todellinen ohjelman toiminta voivat erota toisistaan, minkä vuoksi tarkkaa ajonaikaista viritystä tarvitaan joskus. Tarkastellaan ensin hallittujen kielten joukosta Go-kieltä, joka noudattaa minimalistista filosofiaa ja jonka assembler on rehellinen.
Go-kielen binäärirakenne
| .text | .data | .gopclntab, .typelink jne. |
|---|---|---|
| Suoritettava konekoodi | Tallennettava data | Kielen ajonaikaiset osiot |
Go-kieli ei käännä käyttäjän kirjoittamaa koodia konekieleksi suoraan 1:1-suhteessa, joten .text-osion logiikka liittyy läheisesti kielen ajonaikaisiin osioihin. Lisäksi .text-osion assemblyyn lisätään funktioita, joita käyttäjä ei ole itse kirjoittanut, kuten runtime.printnl(). Tämän automaattisen koodin lisäyksen ansiosta Go vapauttaa kehittäjän manuaalisesta hallinnasta.
Pääfunktion tarkastelu Go-kielessä
Kirjoitetaan ensin yksinkertainen esimerkkilähdekoodi main.go, jonka avulla tarkastellaan main-funktiota AMD64-koneella.
1package main
2
3func sayHello(msg string) {
4 println(msg)
5}
6
7func main() {
8 sayHello("Hello World")
9}
10
Tämän jälkeen käännetään koodi seuraavasti.
1go build main.go
2
Go tukee helppoa matalan tason virheenjäljitystä go tool -työkalulla. Jotta main-paketin main-funktion assemblyä saadaan tarkasteltua, 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, onko nykyisessä goroutinen pinokehyksessä riittävästi tilaa vertaamalla pinon vartijan arvoa goroutinen ohjauslohkon rekisterissä (R14) ja nykyistä pinon osoitinta (SP) CMPQ-käskyllä. Jos tila ei riitä, hyppy (JBE) tehdään pinon laajennuksen sisääntulokohtaan 0x468f95.
- Tallennetaan edellinen kantaosoitin pinoon käskyllä PUSHQ BP.
- Kopioidaan nykyinen pinon osoitin (SP) kantaosoitinrekisteriin (BP), jolloin funktion alun pinon vertailukohta kiinnitetään.
- Varataan sen jälkeen 16 tavun paikallisten muuttujien pinotila (SUBQ $0x10, SP) ja täytetään NOPL-käskyllä tyhjä käsky suorittimen välimuistin kohdistusta varten.
- Go-ajonaikaisessa ympäristössä kutsutaan runtime.printlock(SB) tekstin tulostuksen synkronoimiseksi, jolloin lukitus asetetaan.
- LEAQ-käskyllä vakiona varatun merkkijonon ("Hello World") aloitusosoite tallennetaan rekisteriin AX, joka Go ABI -määrittelyn mukaan on ensimmäinen parametri.
- Sen jälkeen merkkijonon pituutta kuvaava arvo tallennetaan toiseen parametrirekisteriin BX (MOVL $0xb, BX, eli kymmenjärjestelmässä 11).
- Kutsutaan runtime.printstring(SB), joka tulostaa konsoliin AX:n (datan osoite) ja BX:n (pituus) perusteella.
- Rivinvaihdon käsittelyä varten kutsutaan runtime.printnl(SB).
- Tulostuksen valmistuttua lukitus vapautetaan kutsulla runtime.printunlock(SB).
- ADDQ $0x10, SP palauttaa 16 tavun pinomuistin, joka varattiin aiemmin.
- POPQ BP palauttaa alkuperäisen kantaosoittimen.
- RET palauttaa ohjauksen funktion kutsupaikkaan.
- Jos alkuperäinen pinotarkistus osoitti tilan puutteen, kutsutaan osoitteessa 0x468f95 olevaa runtime.morestack_noctxt.abi0(SB)-funktiota, joka laajentaa pinon ajonaikaisesti hallitun kielen tapaan.
- Kun pinon laajennus on valmis, palataan takaisin main.main(SB):n sisääntulokohtaan (JMP). Kuten nähdään, liiketoimintalogiikan assembly on melko selkeää ja siihen on lisätty vain ohut ajonaikainen hallinta.
Kun optimointia ei ole
Yllä oleva muoto on tulosta siitä, että Go-kääntäjä on automaattisesti liittänyt (inlining) kaksi erillistä funktiota yhteen optimoinnin vuoksi. Oppimista varten emme kuitenkaan halua liittää sayHello-funktiota tässä tapauksessa. Tätä varten lähdekoodi käännetään seuraavalla lipulla.
1go build -gcflags="-l" main.go
2
Kun tuloksen tulostaa terminaaliin, havaitaan toistuvaa assemblyä.
1yjlee@elegant:~/compare-assembly/go$ 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
Kun inlining poistetaan, funktiokutsun vaatimusten mukaisesti parametrit (AX, BX) säilytetään lataamalla arvot uudelleen pinon osoitinsiirtymiin, kuten 0x20(SP), MOVQ-käskyillä. Eli kääntäjän optimoinnin kohteena ovat juuri nämä tarpeettomat muistisiirrot ja kutsun yleiskustannukset.
Seuraava kerta
Seuraavalla kerralla käsittelemme Go-kielen if- ja switch-lauseita. Jos aikaa jää, analysoimme myöhemmin myös Go-ajonaikaisia osioita.