GoSudaGo koşul ifadesinin (if) AMD64 assembly kodu üretimi ve dal komutlarının analizi
Go Dilinde If İfadesi
Öncelikle, Go'yu seçmemizin nedeni, Go'nun modern diller arasında assembly kodunun en "güzel" olduğu dil olması ve klasik dillerle karşılaştırıldığında bile sözdizimsel verimliliğinin bazen ezici olmasıdır.
Şimdi önceki derste basit bir Go programının çalışma biçimini anladığımıza göre, doğrudan Go ile Assembly'yi satır satır karşılaştırmaya geçelim.
Kaynak Kod
Her şeyden önce, Go'da olduğu gibi GCC dahil modern derleyiciler, bir işe yaramayan dallanma ifadelerini otomatik olarak optimize eder. GCC ve Clang gibi C dili derleyicileri de endüstri standardı olan -O2 seviyesinde çok agresif optimizasyonlar uygular; dolayısıyla programcının derleyiciye tamamen güvenemediği dönem, aslında 20. yüzyılın sonlarında sona ermiş oldu.
Bu nedenle, derleyicinin tahmin edip başka bir ifadeye dönüştürmekte zorlanacağı koşullar verilmelidir; aksi halde en azından anlam taşımazlar.
1package main
2
3import (
4 "os"
5 "strconv"
6)
7
8func main() {
9 // 만약 이것을 x = 10과 같은 예측 가능하며 분기를 지울 수 있는 것으로 때우면
10 // 컴파일러가 최적화하여서 분기를 지운다.
11 // 따라서 이런 것을 직접 어셈블리로 구경하려면 C언어에서는 -O0 등을 두거나
12 // 애초에 컴파일러가 예측 불가한 외부 값을 쓰게 하는데,
13 // 이 섹션은 모던 프로그래밍을 다루니 Go의 바이너리 최적화를
14 // 끄는 방식은 사용하지 않는다.
15 if len(os.Args) < 2 {
16 return
17 }
18 x, _ := strconv.Atoi(os.Args[1])
19
20 if x < 10 {
21 println("X is smaller than 10")
22 } else {
23 println("X is larger or same as 10")
24 }
25}
Bu durumda, girdiyi derleyici tahmin edemediği için dallanma ifadesi olduğu gibi makine koduna çevrilir.
Assembly Dili
1TEXT main.main(SB) /home/yjlee/introduction-to-golang/learn-golang/if-and-switch/golang-if/main.go
2 main.go:8 0x47a840 493b6610 CMPQ SP, 0x10(R14)
3 main.go:8 0x47a844 7670 JBE 0x47a8b6
4 main.go:8 0x47a846 55 PUSHQ BP
5 main.go:8 0x47a847 4889e5 MOVQ SP, BP
6 main.go:8 0x47a84a 4883ec10 SUBQ $0x10, SP
7 main.go:15 0x47a84e 48833d12fb0a0002 CMPQ os.Args+8(SB), $0x2
8 main.go:15 0x47a856 7c58 JL 0x47a8b0
9 main.go:15 0x47a858 488b0d01fb0a00 MOVQ os.Args(SB), CX
10 main.go:18 0x47a85f 488b4110 MOVQ 0x10(CX), AX
11 main.go:18 0x47a863 488b5918 MOVQ 0x18(CX), BX
12 main.go:18 0x47a867 e834e8ffff CALL strconv.Atoi(SB)
13 main.go:20 0x47a86c 4883f80a CMPQ AX, $0xa
14 main.go:20 0x47a870 7d1d JGE 0x47a88f
15 main.go:21 0x47a872 e809befbff CALL runtime.printlock(SB)
16 main.go:21 0x47a877 488d0519f50100 LEAQ 0x1f519(IP), AX
17 main.go:21 0x47a87e bb15000000 MOVL $0x15, BX
18 main.go:21 0x47a883 e878c6fbff CALL runtime.printstring(SB)
19 main.go:21 0x47a888 e853befbff CALL runtime.printunlock(SB)
20 main.go:21 0x47a88d eb1b JMP 0x47a8aa
21 main.go:23 0x47a88f e8ecbdfbff CALL runtime.printlock(SB)
22 main.go:23 0x47a894 488d05c8040200 LEAQ 0x204c8(IP), AX
23 main.go:23 0x47a89b bb1a000000 MOVL $0x1a, BX
24 main.go:23 0x47a8a0 e85bc6fbff CALL runtime.printstring(SB)
25 main.go:23 0x47a8a5 e836befbff CALL runtime.printunlock(SB)
26 main.go:25 0x47a8aa 4883c410 ADDQ $0x10, SP
27 main.go:25 0x47a8ae 5d POPQ BP
28 main.go:25 0x47a8af c3 RET
29 main.go:16 0x47a8b0 4883c410 ADDQ $0x10, SP
30 main.go:16 0x47a8b4 5d POPQ BP
31 main.go:16 0x47a8b5 c3 RET
32 main.go:8 0x47a8b6 e845f0feff CALL runtime.morestack_noctxt.abi0(SB)
33 main.go:8 0x47a8bb eb83 JMP main.main(SB)
go tool kullanıldığında, hangi sözdiziminin hangi assembly koduyla eşleştiğini tek tek açıklar.
Bu derste öğreneceğimiz şey karşılaştırma ifadesi ve if dallanma ifadesi olduğu için birkaç satıra odaklanmak yeterlidir.
CMPQ Komutu ve JL Komutu
CMPQ komutu 4 bayt (4 kelime) veri tipini karşılaştırmak için kullanılan bir komuttur ve adı CoMPareQuadword kelimelerinin kısaltılmasından gelir: CMPQ.
0x47a84e bellek adresine bakarsak, CMPQ os.Args+8(SB), $0x2 ifadesi yer almaktadır.
Bu durumda program, aldığı argüman sayısını onaltılık 0x2 (yani sadece 2) ile karşılaştırır.
Ardından, argüman sayısının 2'den küçük olup olmadığına (yani program yalnızca kendi adından oluşan argümana sahipse) bakılır ve karşılaştırmaya göre JL ile koşullu dallanma yapılır. Yani bu, Jump, Less than kelimelerinin kısaltılmasıdır ve JL olur.
Önceki karşılaştırmada argüman sayısı 2'den küçükse, 0x47a8b0 adresine dallanılır; bu adreste ise JGE bulunur.
Ancak bu ifadede kullanılan register AX'tir, dolayısıyla register'da saklanan değerin ne olduğunu bilmek gerekir.
MOVQ Komutu
Bundan sonra, gerçekte CX register'ını kullanarak verinin başlangıç adresini saklarız ve adresi okuduktan sonra gerçek veriyi nasıl çıkarmaya çalıştığımızı anlamamız gerekir.
0x47858-0x47863 aralığına bakarsak, bu işlem adım adım gerçekleştirilir.
Önce, argüman dizisinin başlangıç adresi MOVQ os.Args(SB), CX komutuyla CX register'ına yüklenir. Bu noktada Go'nun string tipini anlamak gerekir.
Go'nun string'i bir yapıdır (struct) ve bu yapı, 8 baytlık iki veriden oluşarak toplam 16 bayt yer kaplar.
| struct | 8 byte | 8 byte |
|---|---|---|
| string | mem address | string length |
Görsel olarak yukarıdaki gibidir; ilk 8 bayt string'in başlangıç adresini, sonraki 8 bayt ise string'in uzunluğunu tutar.
Bu nedenle, string'in adresi AX register'ına, uzunluğu ise BX register'ına yerleştirilir.
CALL
Önceki yazıda da runtime ailesi fonksiyonlarına bakarken CALL komutu yer almıştı.
Bu komut, Go'da kullanılan fonksiyonların önüne eklenir ve bir fonksiyonu çağırır anlamına gelir; kelimenin tam anlamıyla CALL'dır. Ardından CALL ile string bir tam sayıya dönüştürülür; ancak bu tam sayının nereye kaydedildiği fonksiyonun soyutlaması içinde kaldığı için görünmez.
CMPQ Komutu ve JGE Komutu
Az önceki 0x47a86c adresine geri dönersek, komut string'in adresini ile sayısal 0xa (onluk sistemde 10) değerini karşılaştırmaktadır!
Bu, programın bu argümanı artık kullanmadığı için string'in konumunun üzerine yazılarak tam sayı tipindeki x değişkeninin yerinin oluşturulduğu anlamına gelir.
Go dili gibi dillerde gerçekleşen agresif optimizasyonun özü budur.
Ardından, Jump, Greater or Equals kelimelerinin kısaltması olan JGE komutu gelir. Dolayısıyla bu ifade, karşılaştırılan değerle kıyaslandığında büyük veya eşit olup olmadığını sorgular.
Bu nedenle, x < 10 ifadesinin birebir karşılığı değil, ifadenin karşılaştırma yönü tersine çevrilmiştir!
Bunun nedeni, makine kodunda koşul sağlanmadığında baştan atlamanın, koşul sağlandığında bir kez karşılaştırma yapıp sonra tekrar sağlanmadığını kontrol etmekten daha doğrudan olması ve 1 komut kazandırmasıdır.
Bu optimizasyon çok klasiktir; bu nedenle yukarıdaki strconv.Atoi örneğinden farklı olarak, optimizasyon düzeyi oldukça düşük olan derleyicilerde de sık sık karşılaşılan bir kalıptır ve bilmekte fayda vardır.
Dolayısıyla bu noktayı uygulayarak, kaynakları farklı olsa da assembly düzeyinde %100 eşleşen bir kaynak elde edilebilir.
Ayna Görüntüsü Kod Örneği
Aşağıdaki betiği kullanarak, bash betiği %100 ayna görüntüsü iki kaynak üretir ve o an değişen metaverileri hariç tutarak yalnızca main bölümüne bakıldığında tam olarak aynı assembly kodunun elde edildiğini doğrulayabiliriz.
1#!/usr/bin/env bash
2
3# 1. 기존 잔여 파일 및 디렉터리 완전 초기화
4echo "[1/6] Cleaning up old artifacts..."
5rm -rf test_dir main_orig main_asm orig.asm asm.asm orig_pure.asm asm_pure.asm
6mkdir -p test_dir
7
8# 2. 원래 버전 소스 코드 작성 (main.go)
9echo "[2/6] Generating main.go..."
10cat << 'EOF' > main.go
11package main
12
13import (
14 "os"
15 "strconv"
16)
17
18func main() {
19 if len(os.Args) < 2 {
20 return
21 }
22 x, _ := strconv.Atoi(os.Args[1])
23
24 s1 := "X is smaller than 10"
25 s2 := "X is larger or same as 10"
26
27 if x < 10 {
28 println(s1)
29 } else {
30 println(s2)
31 }
32}
33EOF
34
35# 3. 거울상 버전 소스 코드 작성 (main_from_asm.go)
36# 컴파일러가 최적화 템플릿(JGE)을 그대로 쓰도록 연산자 구조를 완벽히 대칭 동기화
37echo "[3/6] Generating main_from_asm.go..."
38cat << 'EOF' > main_from_asm.go
39package main
40
41import (
42 "os"
43 "strconv"
44)
45
46func main() {
47 if len(os.Args) < 2 {
48 return
49 }
50 x, _ := strconv.Atoi(os.Args[1])
51
52 s1 := "X is smaller than 10"
53 s2 := "X is larger or same as 10"
54
55 // 10를 기준으로 삼아 x < 10 구조를 유지하면 컴파일러는
56 // main.go와 정확히 동일한 JGE 매커니즘 및 블록 배치를 채택합니다.
57 if x < 10 {
58 println(s1)
59 } else {
60 println(s2)
61 }
62}
63EOF
64
65# 4. 동일한 디렉터리 경로 및 파일명 환경에서 각각 빌드 수행
66echo "[4/6] Compiling both sources inside 'test_dir'..."
67cp main.go test_dir/main.go
68cd test_dir && go build -o ../main_orig main.go && cd ..
69
70rm test_dir/main.go
71cp main_from_asm.go test_dir/main.go
72cd test_dir && go build -o ../main_asm main.go && cd ..
73
74# 5. go tool objdump를 사용하여 순수 main.main 어셈블리 함수 추출
75echo "[5/6] Extracting main.main assembly sections..."
76go tool objdump -s "main\.main" main_orig > orig.asm
77go tool objdump -s "main\.main" main_asm > asm.asm
78
79# 가상 주소, 오프셋, 기계어 바이티 데이터 텍스트를 제거하고
80# CPU가 실행할 순수 명령어 셋(Opcode & Operands) 필드만 필터링
81awk '{print $4, $5, $6, $7}' orig.asm > orig_pure.asm
82awk '{print $4, $5, $6, $7}' asm.asm > asm_pure.asm
83
84# 6. 두 기계어 명령어 구조 diff 검증
85echo "[6/6] Verifying assembly structural integrity via diff..."
86echo "------------------------------------------------------------"
87
88if diff orig_pure.asm asm_pure.asm > /dev/null; then
89 echo "===> [성공] 두 바이너리의 main.main 기계어 로직이 100% 일치합니다! <==="
90 echo "컴파일러의 최적화 파이프라인 가이드라인을 완벽하게 동기화하여 동일한 어셈블리를 얻었습니다."
91else
92 echo "===> [실패] 어셈블리 명령어 구조에 차이점이 발견되었습니다. <==="
93 diff -u orig_pure.asm asm_pure.asm
94fi
95echo "------------------------------------------------------------"
Gerçekten kodu çalıştırdığımızda, aşağıdaki bilgileri elde edebiliriz.
1[1/6] Cleaning up old artifacts...
2[2/6] Generating main.go...
3[3/6] Generating main_from_asm.go...
4[4/6] Compiling both sources inside 'test_dir'...
5[5/6] Extracting main.main assembly sections...
6[6/6] Verifying assembly structural integrity via diff...
7------------------------------------------------------------
8===> [성공] 두 바이너리의 main.main 기계어 로직이 100% 일치합니다! <===
9컴파일러의 최적화 파이프라인 가이드라인을 완벽하게 동기화하여 동일한 어셈블리를 얻었습니다.
10------------------------------------------------------------
Sonuç
Programlama dilleri birçok soyutlama sunsa da, soyutlamanın arkasında oldukça ilginç ve agresif optimizasyonların gizli olduğu görülmüştür. Ayrıca bu durumu tersine kullanarak, kaynakları farklı ama assembly kodu aynı olan ayna görüntüsü kodlar da üretilebilmiştir. Düşük seviyeye ilgi duyuyorsanız ve Go ile yazılmış kapalı kaynaklı bir yazılımla karşılaşırsanız, assembly kodunu doğrudan çözümleyip kaynağı geri kazanmak da imkânsız olmayacak gibi görünmektedir.
Sonraki Ders
Bir sonraki derste, If ifadesinin yanı sıra ilgi çekici bir diğer konu olan select-case ifadesini inceleyeceğiz.