Что такое Managed Language?
Что такое управляемый язык (managed language)?
Управляемый язык — это язык, который, в отличие от неуправляемого языка (языка, который просто выполняет логику, написанную программистом, не выходя за её рамки), осуществляет выполнение GC, оптимизацию времени выполнения (runtime optimization), использование green threads, обработку параллелизма и другие задачи на уровне среды выполнения, тем самым избавляя пользователя от необходимости заниматься рискованным низкоуровневым управлением. У таких языков есть преимущество: можно сосредоточиться исключительно на бизнес-логике, полностью погрузившись в разработку. Однако, с другой стороны, программа может вести себя не так, как предполагает интуиция программиста, что иногда требует тонкой настройки runtime. Прежде всего, мы рассмотрим язык Go, который среди управляемых языков наиболее верен философии минимализма, а его ассемблерный код отличается прямотой.
Бинарная структура языка Go
| .text | .data | .gopclntab, .typelink и др. |
|---|---|---|
| Исполняемый машинный код | Хранимые данные | Секции runtime языка |
| Поскольку язык Go не переводит код в машинные инструкции в соотношении 1:1 согласно вводу пользователя, логика в секции .text тесно связана с секциями runtime языка. | ||
| Кроме того, в ассемблерный код секции .text добавляются функции, такие как runtime.printnl(), которые пользователь явно не прописывал. | ||
| Благодаря такому автоматическому внедрению кода язык Go помогает разработчику избежать ручного управления. |
Анализ только функции main в Go
Для начала напишем простой пример исходного кода main.go и рассмотрим его начиная с main на машине AMD64.
1package main
2
3func sayHello(msg string) {
4 println(msg)
5}
6
7func main() {
8 sayHello("Hello World")
9}
10
Затем выполним сборку следующим образом:
1go build main.go
2
Для упрощения низкоуровневой отладки Go поддерживает go tool. Чтобы увидеть только ассемблерный код функции main в главном пакете через go tool, введите следующую команду:
1go tool objdump -s "main\.main" ./main
2
Ассемблер
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
- С помощью инструкции CMPQ текущий указатель стека (SP) сравнивается со значением стекового стража (stack guard) внутри регистра блока управления горутиной (R14), чтобы проверить, достаточно ли места в текущем стековом фрейме горутины; если места недостаточно, выполняется переход (JBE) по адресу 0x468f95, который является точкой входа для расширения стека.
- Предыдущий базовый указатель сохраняется в стеке с помощью PUSHQ BP.
- Текущий указатель стека (SP) копируется в регистр базового указателя (BP), фиксируя отправную точку стека в начале функции.
- Затем выделяется 16 байт стекового пространства для локальных переменных (SUBQ $0x10, SP), а NOPL используется для заполнения виртуальными инструкциями с целью выравнивания кэша процессора.
- Для синхронизации стандартного вывода строк внутри runtime Go вызывается runtime.printlock(SB), который устанавливает блокировку.
- С помощью инструкции LEAQ начальный адрес строки, выделенной как константа ("Hello World"), сохраняется в регистре AX, который согласно спецификации Go ABI используется как первый параметр среди регистров общего назначения.
- Затем значение, представляющее длину строки, сохраняется во втором регистре параметров BX (MOVL $0xb, BX, то есть 11 в десятичной системе).
- Вызывается runtime.printstring(SB), который выполняет вывод в консоль на основе переданных данных: AX (адрес данных) и BX (длина).
- Для обработки перехода на новую строку вызывается runtime.printnl(SB).
- Поскольку вывод завершен, блокировка снимается через runtime.printunlock(SB).
- С помощью ADDQ $0x10, SP восстанавливается выделенная ранее стековая память объемом 16 байт.
- С помощью POPQ BP восстанавливается исходный базовый указатель.
- Через RET управление возвращается в точку вызова функции.
- Если при первоначальной проверке стека места оказалось недостаточно, вызывается runtime.morestack_noctxt.abi0(SB) по адресу 0x468f95, динамически расширяя стек среды выполнения, как и полагается управляемому языку.
- После завершения расширения стека выполняется возврат (JMP) к точке входа main.main(SB). Как можно заметить, ассемблерный код бизнес-логики достаточно ясен и представляет собой логику, дополненную лишь минимальным управлением со стороны runtime.
При отсутствии оптимизации
Представленный выше вид — это результат автоматической оптимизации компилятором Go путем инлайнинга (inlining) двух отдельных функций. Однако для учебных целей мы сделаем так, чтобы в данном случае sayHello не подвергалась инлайнингу. Для этого скомпилируем исходный код с использованием следующего флага:
1go build -gcflags="-l" main.go
2
Если вывести результат в оболочке, можно обнаружить дублирующийся ассемблерный код.
1yjlee@elegant:~/compare-assembly/go$ 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
При отключении инлайнинга вставляются операции MOVQ, которые повторно загружают значения в смещения указателя стека, такие как 0x20(SP), для сохранения параметров (AX, BX) в соответствии со спецификацией вызова функций. Таким образом, подтверждено, что целью оптимизации компилятора являются именно такие избыточные операции перемещения данных в памяти и накладные расходы на вызовы.
В следующий раз
В следующий раз мы рассмотрим операторы if и switch в языке Go. Если будет время, планируется также проанализировать секции runtime языка Go.