GoSuda

Analisis Struktur Runtime Bahasa Terkelola dan Assembly AMD64 pada Biner Go

By Lee Yunjin views ...

Apa Itu Managed Language?

Managed language adalah bahasa yang menjalankan GC, optimisasi runtime, green thread, pemrosesan konkurensi, dan sebagainya di dalam runtime, sehingga pengguna tidak perlu melakukan manajemen tingkat rendah yang berbahaya; berbeda dengan unmanaged language, yaitu bahasa yang hanya mengeksekusi logika yang ditulis programmer tanpa banyak menyimpang darinya. Bahasa semacam ini memiliki keunggulan karena pengembang dapat berfokus sepenuhnya pada business logic dan tenggelam dalam pengembangan, tetapi di sisi lain, intuisi programmer dan perilaku program yang sebenarnya dapat berbeda, sehingga terkadang diperlukan penyetelan runtime yang cermat. Pertama, mari kita lihat bahasa Go, yang paling setia pada filosofi minimalis di antara managed language dan assembly-nya paling jujur.

Struktur Biner Go

.text.data.gopclntab, .typelink, dll.
Kode mesin yang akan dieksekusiData yang akan disimpanBagian runtime bahasa

Karena Go tidak menerjemahkan kode yang ditulis pengguna ke dalam mesin secara 1:1, logika pada bagian .text juga terkait erat dengan bagian runtime bahasa. Selain itu, fungsi-fungsi yang tidak ditulis langsung oleh pengguna, seperti runtime.printnl(), ditambahkan ke dalam assembly bagian .text. Melalui penyisipan kode otomatis seperti ini, Go membantu pengembang terbebas dari manajemen manual.

Melihat Hanya Fungsi main di Go

Pertama, mari buat contoh sederhana main.go dan lihat bagian main pada mesin AMD64.

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

Kemudian bangun dengan perintah berikut.

1go build main.go
2

Go mendukung go tool untuk debugging tingkat rendah yang mudah. Untuk melihat hanya assembly sebesar fungsi main pada package main menggunakan go tool, masukkan perintah berikut.

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
  • Memeriksa apakah ruang stack frame goroutine saat ini cukup dengan membandingkan nilai stack guard di dalam register goroutine control block (R14) dengan stack pointer (SP) menggunakan CMPQ; jika tidak cukup, program melompat (JBE) ke alamat 0x468f95 yang merupakan entrypoint untuk perluasan stack.
  • Menyimpan base pointer sebelumnya ke stack dengan PUSHQ BP.
  • Menyalin stack pointer (SP) ke register base pointer (BP) untuk menetapkan titik acuan stack saat fungsi dimulai.
  • Kemudian mengalokasikan ruang stack lokal sebesar 16 byte (SUBQ $0x10, SP), dan menggunakan NOPL untuk mengisi instruksi kosong guna melakukan penyelarasan cache CPU.
  • Memanggil runtime.printlock(SB) untuk mengunci sinkronisasi keluaran standar string internal runtime Go.
  • Menggunakan instruksi LEAQ untuk menyimpan alamat awal string konstanta ("Hello World") ke AX, yaitu register pertama yang digunakan sebagai parameter pertama sesuai spesifikasi Go ABI.
  • Selanjutnya menyimpan nilai panjang string ke BX, register parameter kedua. (MOVL $0xb, BX, yaitu 11 dalam desimal)
  • Memanggil runtime.printstring(SB) untuk mencetak ke konsol berdasarkan informasi AX (alamat data) dan BX (panjang) yang diberikan.
  • Memanggil runtime.printnl(SB) untuk menangani pergantian baris.
  • Karena keluaran telah selesai, melepaskan kunci melalui runtime.printunlock(SB).
  • Memulihkan memori stack 16 byte yang dialokasikan dengan ADDQ $0x10, SP.
  • Memulihkan base pointer sebelumnya dengan POPQ BP.
  • Mengembalikan kendali ke titik tempat fungsi dipanggil melalui RET.
  • Jika pada pemeriksaan stack awal ruangnya tidak cukup, runtime.morestack_noctxt.abi0(SB) pada alamat 0x468f95 dipanggil untuk memperluas stack runtime secara dinamis, sebagaimana lazimnya pada managed language.
  • Setelah perluasan stack selesai, eksekusi kembali (JMP) ke titik masuk main.main(SB). Seperti terlihat, assembly dari business logic cukup jelas, dengan bentuk yang hanya ditambahkan manajemen runtime yang tipis.

Ketika Tidak Ada Optimisasi

Bentuk di atas merupakan hasil ketika compiler Go secara otomatis melakukan inlining terhadap dua fungsi yang terpisah dan mengoptimisasinya. Namun, untuk keperluan pembelajaran, kita tidak akan melakukan inlining pada sayHello dalam kasus ini. Untuk itu, kompilasi source dengan flag berikut.

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

Jika hasilnya ditampilkan di shell, akan ditemukan assembly yang tumpang tindih.

 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

Ketika inlining dinonaktifkan, instruksi MOVQ tambahan disisipkan untuk menyimpan parameter (AX, BX) ke offset stack pointer seperti 0x20(SP) agar sesuai dengan konvensi pemanggilan fungsi. Dengan demikian, terbukti bahwa optimisasi compiler menargetkan operasi pemindahan memori yang tidak perlu dan overhead pemanggilan fungsi.

Pembahasan Berikutnya

Pada pembahasan berikutnya, kita akan membahas if dan switch di Go. Jika ada waktu nanti, bagian-bagian runtime Go juga akan dianalisis.