GoSuda

Yönetilen dillerin çalışma zamanı yapısı ile Go ikili dosyalarının AMD64 assembly analizi

By Lee Yunjin views ...

Yönetilen Diller Nedir?

Yönetilen diller, yani programcının yazdığı mantıktan büyük ölçüde sapmadan yalnızca çalıştıran yönetilmeyen (unmanaged) dillerin aksine, GC, çalışma zamanı optimizasyonu, yeşil iş parçacıkları (green threads), eşzamanlılık işleme gibi işlevleri çalışma zamanında yürüterek kullanıcının tehlikeli düşük düzeyli bellek yönetimini yapma gereksinimini ortadan kaldıran dillerdir. Bu tür dillerin, iş mantığına odaklanarak geliştirmeye tamamen konsantre olabilmek gibi bir avantajı vardır; ancak öte yandan, programcının sezgisi ile gerçek programın davranışı farklılık gösterebildiğinden, bazı durumlarda hassas çalışma zamanı ayarlamaları (tuning) gerekebilir. Öncelikle, yönetilen diller arasında minimalist felsefeye en sadık olan ve assembly çıktısı en dürüst olan Go dilini inceleyeceğiz.

Go Dilinin İkili (Binary) Yapısı

.text.data.gopclntab, .typelink vb.
Çalıştırılacak makine koduSaklanacak verilerDil çalışma zamanı bölümleri

Go dili, kullanıcının yazdığı kodu 1:1 oranında makine koduna çevirmediğinden, .text bölümündeki mantık, dil çalışma zamanı bölümleriyle de sıkı bir şekilde ilişkilidir. Ayrıca, kullanıcının ayrıca yazmadığı runtime.printnl() gibi fonksiyonlar da .text bölümünün assembly koduna eklenir. Bu otomatik kod eklemesi sayesinde Go dili, geliştiriciyi manuel yönetimden kurtarmaya yardımcı olur.

Go'da Yalnızca main Fonksiyonu Kısmına Bakmak

Öncelikle, basit bir örnek kaynak dosyası main.go yazarak main'den başlayıp AMD64 makinesinde inceleyelim.

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

Daha sonra şu şekilde derleriz.

1go build main.go
2

Go, kolay düşük düzeyli hata ayıklama için go tool aracını destekler. go tool ile ana paketteki main fonksiyonu kadar olan assembly kodunu görmek için şu komutu yazarız.

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
  • Mevcut goroutine yığın (stack) çerçevesi alanının yeterli olup olmadığını, goroutine kontrol bloğu yazmacı (R14) içindeki yığın koruma (stack guard) değeri ile mevcut yığın işaretçisi (SP) CMPQ ile karşılaştırılarak kontrol eder; yetersizse yığını genişletmek için giriş noktası olan 0x468f95 adresine atlar (JBE).
  • Önceki taban işaretçisini (base pointer) saklamak için PUSHQ BP ile yığına ekler.
  • Taban işaretçisi (BP) yazmacına mevcut yığın işaretçisini (SP) kopyalayarak fonksiyon başlangıcındaki yığın referans noktasını sabitler.
  • Ardından 16 baytlık yerel değişken yığın alanını ayırır (SUBQ $0x10, SP) ve CPU önbellek hizalaması gerçekleştirmek için NOPL ile sanal komutu doldurur.
  • Go çalışma zamanında dahili dize standart çıktısının senkronizasyonunu sağlamak için runtime.printlock(SB) çağrılarak kilit alınır.
  • LEAQ komutu ile sabit olarak tanımlanmış dizenin ("Hello World") başlangıç adresi, Go ABI standardına göre ilk parametre olarak kullanılan genel amaçlı yazmaç AX'e yüklenir.
  • Ardından dize uzunluğunu temsil eden değer, ikinci parametre yazmacı olan BX'e yüklenir (MOVL $0xb, BX, yani onluk sistemde 11).
  • runtime.printstring(SB) çağrılarak, iletilen AX (veri adresi) ve BX (uzunluk) bilgilerine dayanarak konsola yazdırılır.
  • Satır sonu işlemi için runtime.printnl(SB) çağrılır.
  • Çıktı tamamlandığı için runtime.printunlock(SB) ile kilit serbest bırakılır.
  • ADDQ $0x10, SP ile ayrılan 16 baytlık yığın belleği geri alınır.
  • POPQ BP ile önceki taban işaretçisi geri yüklenir.
  • RET ile denetim, fonksiyonu çağıran noktaya geri döndürülür.
  • İlk yığın kontrolünde alan yetersizse, 0x468f95 adresindeki runtime.morestack_noctxt.abi0(SB) çağrılarak yönetilen dil anlayışına uygun şekilde yığın çalışma zamanı dinamik olarak genişletilir.
  • Yığın genişletme tamamlandığında main.main(SB) giriş noktasına geri dönülür (JMP). Görüldüğü gibi iş mantığının assembly kodu oldukça açık olup yalnızca ince bir çalışma zamanı yönetim katmanı eklenmiş bir yapıdadır.

Optimizasyon Olmadığında

Yukarıdaki yapı, Go derleyicisinin ayrı duran iki fonksiyonu otomatik olarak satır içine alarak (inlining) optimize etmesinin sonucudur. Ancak öğrenme amacıyla bu durumda sayHello'nun satır içine alınmamasını sağlayacağız. Bunu gerçekleştirmek için kaynağı şu bayrakla derleriz.

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

Kabukta (shell) sonucu incelediğimizde yinelenen assembly kodları görülür.

 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

Satır içine alma (inlining) kaldırıldığında, fonksiyon çağrı kuralına uymak için parametrelerin (AX, BX) korunması amacıyla 0x20(SP) gibi yığın işaretçisi ofsetlerine değerlerin yeniden yüklendiği MOVQ işlemleri eklenir. Yani derleyicinin optimize ettiği şeyin, bu gereksiz bellek taşıma işlemleri ve çağrı ek yükü (overhead) olduğu doğrulanmış olur.

Sonraki Bölüm

Bir sonraki bölümde Go dilinde if ve switch ifadelerini ele alacağız. Zaman olursa Go çalışma zamanı bölümlerini de analiz etmeyi planlıyoruz.