内容简介:解析 Go 中的函数调用
- 原文地址: Anatomy of a function call in Go
- 原文作者:Phil Pearl
- 译文出自: 掘金翻译计划
- 译者:xiaoyusilen
- 校对者: 1992chenlu , Zheaoli
让我们来看一些简单的 Go 的函数,然后看看我们能否明白函数调用是怎么回事。我们将通过分析 Go 编译器根据函数生成的汇编来完成这件事。对于一个小小的博客来讲,这样的目标可能有点不切实际,但是别担心,汇编语言很简单。哪怕是 CPU 都能读懂。
图片来自 Rob Baines https://github.com/telecoda/inktober-2016
这是我们的第一个函数。对,我们只是让两个数相加。
func add(a, b int) int { return a + b }
我们编译的时候需要关闭优化,这样方便我们去理解生成的汇编代码。我们用 go build -gcflags 'N -l'
这个命令来完成上述操作。然后我们可以用 go tool objdump -s main.add func
输出我们函数的具体细节(这里的 func 是我们的包名,也就是我们刚刚用 go build 编译出的可执行文件)。
如果你之前没有学过汇编,那么恭喜你,你将接触到一个全新的事物。另外我会在 Mac 上完成这篇博客的代码,因此所生成的是 Intel 64-bit 汇编。
main.go:20 0x22c0 48c744241800000000 MOVQ $0x0, 0x18(SP) main.go:21 0x22c9 488b442408 MOVQ 0x8(SP), AX main.go:21 0x22ce 488b4c2410 MOVQ 0x10(SP), CX main.go:21 0x22d3 4801c8 ADDQ CX, AX main.go:21 0x22d6 4889442418 MOVQ AX, 0x18(SP) main.go:21 0x22db c3 RET
现在我们看到了什么?如下所示,每一行被分为了4部分:
- 源文件的名称和行号(main.go:15)。这行的源代码会被转换为标有代码行号的说明。Go 的一行可能被转换成多行程序集。
- 目标文件中的偏移量(例如 0x22C0)。
- 机器码(例如 48c744241800000000)。这是 CPU 实际执行的二进制机器码。我们不需要看这个,几乎没有人看这玩意。
- 机器码的汇编表示形式,这也是我们想要理解的部分。
让我们将注意力集中在最后一部分,汇编语言。
- MOVQ,ADDQ 和 RET 是指令。它们告诉 CPU 需要执行的操作。后面的参数告诉 CPU 对什么执行该操作。
- SP,AX 和 CX 是 CPU 寄存器。寄存器是 CPU 用于存储值的地方,CPU 有多个寄存器可以使用。
- SP 是一个专用寄存器,用于存储当前堆栈指针。堆栈是记录局部变量,参数和函数调用的寄存器。每个 goroutine 都有一个堆栈。当一个函数调用另一个函数,然后另一个函数再调用其他函数,每个函数在堆栈上获得自己的存储区域。在函数调用期间创建存储区域,将 SP 的大小中减去所需的存储大小。
- 0x8(SP)是指超过 SP 指向的存储单元的 8 个字节的存储单元。
因此,我们的工作的内容包含存储单元,CPU 寄存器,用于在存储器和寄存器之间移动值的指令以及寄存器上的操作。 这几乎就是一个 CPU 所完成的事情了。
现在让我们从第一条指令开始看每一条内容。别忘了我们需要从内存中加载两个参数 a
和 b
,把它们相加,然后返回至调用函数。
-
MOVQ $0x0, 0x18(SP)
将 0 置于存储单元 SP+0x18 中。 这句代码看起来有点抽象。 -
MOVQ 0x8(SP), AX
将存储单元 SP+0x8 中的内容放到 CPU 寄存器 AX 中。也许这就是从内存中加载的我们所使用的参数之一? -
MOVQ 0x10(SP), CX
将存储单元 SP+0x10 的内容置于 CPU 寄存器 CX 中。 这可能就是我们所需的另一个参数。 -
ADDQ CX, AX
将 CX 与 AX 相加,将结果存到 AX 中。好,现在已经把两个参数相加了。 -
MOVQ AX, 0x18(sp)
将寄存器 AX 的内容存储在存储单元 SP+0x18 中。这就是在存储相加的结果。 -
RET
将结果返回至调用函数。
记住我们的函数有两个参数 a
和 b
,它计算了 a+b
并且返回了结果。 MOVQ 0x8(SP), AX
将参数 a
移到 AX 中,在 SP+0x8 的堆栈中 a
将被传给函数。 MOVQ 0x10(SP), CX
将参数 b
移到 CX 中,在 SP+0x10 的堆栈中 b
将被传给函数。 ADDQ CX, AX
使 a
和 b
相加。 MOVQ AX, 0x18(SP)
将结果存储到 SP+0x18 中。 现在相加的结果被存储在 SP+0x18 的堆栈中,当函数返回调用函数时,可以从栈中读取结果。
我假设 a
是第一个参数, b
是第二个参数。我不确定是不是这样。我们需要花一点时间来完成这件事,但是这篇文章已经很长了。
那么有点神秘的第一行代码究竟是做什么用的? MOVQ $0X0, 0X18(SP)
将 0 存储至 SP+0x18 中,而 SP+0x18 是我们存储相加结果的地方。我们可以猜测,这是因为 Go 把没有初始化的值设置为 0 ,我们已经关闭了优化,即使没有必要,编译器也会执行这个操作。
所以我们从中明白了什么:
- 好,看起来参数都存在堆栈中,第一个参数存储在 SP+0x8 中,另一个在更高编号的地址中。
- 并且看上去返回的结果存储在参数后边,一个更高编号的地址中。
现在让我们看另一个函数。这个函数有一个局部变量,不过我们依然会让它看起来很简单。
func add3(a int) int { b := 3 return a + b }
我们用和刚才一样的过程来获取程序集列表。
TEXT main.add3(SB) /Users/phil/go/src/github.com/philpearl/func/main.go main.go:15 0x2280 4883ec10 SUBQ $0x10, SP main.go:15 0x2284 48896c2408 MOVQ BP, 0x8(SP) main.go:15 0x2289 488d6c2408 LEAQ 0x8(SP), BP main.go:15 0x228e 48c744242000000000 MOVQ $0x0, 0x20(SP) main.go:16 0x2297 48c7042403000000 MOVQ $0x3, 0(SP) main.go:17 0x229f 488b442418 MOVQ 0x18(SP), AX main.go:17 0x22a4 4883c003 ADDQ $0x3, AX main.go:17 0x22a8 4889442420 MOVQ AX, 0x20(SP) main.go:17 0x22ad 488b6c2408 MOVQ 0x8(SP), BP main.go:17 0x22b2 4883c410 ADDQ $0x10, SP main.go:17 0x22b6 c3 RET
喔!看起来有点复杂。让我们来试试。
前4条指令是根据源代码中的第15行列出的。这行代码是这样的:
func add3(a int) int {
这一行代码似乎没有做什么。所以这可能是一种声明函数的方法。让我们分析一下。
-
SUBQ $0x10, SP
从 SP 减去 0x10=16。这个操作为我们释放了 16 字节的堆栈空间 -
MOVQ BP, 0x8(SP)
将寄存器 BP 中的值存储至 SP+8 中,然后LEAQ 0x8(SP), BP
将地址 SP+8 中的内容加载到 BP 中。现在我们已经有空间可以存储 BP 中之前所存的内容,然后将 BP 中的内容存储至刚刚分配的存储空间中,这有助于建立堆栈区域链(或者堆栈框架)。这有点神秘,不过在这篇文章中我们恐怕不会解决这个问题。 - 在这一部分的最后是
MOVQ $ 0x0, 0x20 (SP)
,它和我们刚刚分析的最后一句类似,就是将返回值初始化为0。
下一行对应的是源码中的 b := 3
, MOVQ $03x, 0(SP)
把 3 放到 SP+0 中。这解决了我们的一个疑惑。当我们从 SP 中减去 0x10 = 16 时,我们得到了可以存储两个 8 字节值的空间:我们的局部变量 b
存储在 SP+0 中,而 BP 之前的值存储在 SP+0x08 中。
接下来的 6 行程序集对应于 return a + b
。这需要从内存中加载 a
和 b
,然后将它们相加,并且返回结果。让我们依次看看每一行。
-
MOVQ 0x18(SP), AX
将存储在 SP+0x18 的参数a
移动到寄存器 AX 中 -
ADDQ $0x3, AX
将 3 加到 AX(由于某些原因,它不使用我们存储在 SP+0 的局部变量b
,尽管编译时优化被关闭了) -
MOVQ AX, 0x20(SP)
将a+b
的结果存储到 SP+0x20 中,也就是我们返回结果所存的地方。 - 接下来我们得到的是
MOVQ 0x8(SP), BP
以及ADDQ $0x10, SP
,这些将恢复BP的旧值,然后将 0x10 添加到 SP,将其设置为该函数开始时的值。 - 最后我们得到了
RET
,将要返回给调用函数的。
所以我们从中学到了什么呢?
- 调用函数在堆栈中为返回值和参数分配空间。返回值的存储地址比参数的存储地址高。
- 如果被调用函数有局部变量,则通过减少堆栈指针 SP 的值为它们分配空间。它也和寄存器 BP 做了一些神秘的事情。
- 当函数返回任何对 SP 和 BP 的操作都会相反。
让我们看看堆栈在 add3() 方法中如何使用:
SP+0x20: the return value SP+0x18: the parameter a SP+0x10: ?? SP+0x08: the old value of BP SP+0x0: the local variable b
如果你觉得文章中没有提到 SP+0x10,所以不 知道 这是干什么用的。我可以告诉你,这是存储返回地址的地方。这是为了让 RET
指令知道返回到哪里去。
这篇文章已经足够了。 希望如果以前你不知道这些东西如何工作,但是现在你觉得你已经有了一些了解,或者如果你被汇编吓倒了,那么也许它不那么晦涩难懂了。 如果你想了解有关汇编的更多信息,请在评论中告诉我,我会考虑在之后的文章中写出来。
既然你已经看到这儿了,如果喜欢我的这篇文章或者可以从中学到一点什么的话,那么请给我点个赞这样这篇文章就可以被更多人看到了。
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