Go语言高级编程

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2. 第2章 CGO编程

引言

2.1 快速入门

2.1.1 最简CGO程序

2.1.2 基于C标准库函数输出字符串

2.1.3 使用自己的C函数

2.1.4 C代码的模块化

2.1.5 用Go重新实现C函数

2.1.6 面向C接口的Go编程

2.2 CGO基础

2.2.1 import "C"语句

2.2.2 #cgo语句

2.2.3 build tag 条件编译

2.3 类型转换

2.3.1 数值类型

2.3.2 Go 字符串和切片

2.3.3 结构体、联合、枚举类型

2.3.4 数组、字符串和切片

2.3.5 指针间的转换

2.3.6 数值和指针的转换

2.3.7 切片间的转换

2.4 函数调用

2.4.1 Go调用C函数

2.4.2 C函数的返回值

2.4.3 void函数的返回值

2.4.4 C调用Go导出函数

2.5 内部机制

2.5.1 CGO生成的中间文件

2.5.2 Go调用C函数

2.5.3 C调用Go函数

2.6 实战: 封装qsort

2.6.1 认识qsort函数

2.6.2 将qsort函数从Go包导出

2.6.3 改进:闭包函数作为比较函数

2.6.4 改进:消除用户对unsafe包的依赖

2.7 CGO内存模型

2.7.1 Go访问C内存

2.7.2 C临时访问传入的Go内存

2.7.3 C长期持有Go指针对象

2.7.4 导出C函数不能返回Go内存

2.8 C++ 类包装

2.8.1 C++ 类到 Go 语言对象

2.8.1.1 准备一个 C++ 类

2.8.1.2 用纯C函数接口封装 C++ 类

2.8.1.3 将纯C接口函数转为Go函数

2.8.1.4 包装为Go对象

2.8.2 Go 语言对象到 C++ 类

2.8.2.1 构造一个Go对象

2.8.2.2 导出C接口

2.8.2.3 封装C++对象

2.8.2.4 封装C++对象改进

2.8.3 彻底解放C++的this指针

2.9 静态库和动态库

2.9.1 使用C静态库

2.9.2 使用C动态库

2.9.3 导出C静态库

2.9.4 导出C动态库

2.9.5 导出非main包的函数

2.10 编译和链接参数

2.10.1 编译参数:CFLAGS/CPPFLAGS/CXXFLAGS

2.10.2 链接参数:LDFLAGS

2.10.3 pkg-config

2.10.4 go get 链

2.10.5 多个非main包中导出C函数

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3.4.4 函数中的局部变量

从Go语言函数角度讲,局部变量是函数内明确定义的变量,同时也包含函数的参数和返回值变量。但是从Go汇编角度看,局部变量是指函数运行时,在当前函数栈帧所对应的内存内的变量,不包含函数的参数和返回值(因为访问方式有差异)。函数栈帧的空间主要由函数参数和返回值、局部变量和被调用其它函数的参数和返回值空间组成。为了便于理解,我们可以将汇编函数的局部变量类比为Go语言函数中显式定义的变量,不包含参数和返回值部分。

为了便于访问局部变量,Go汇编语言引入了伪SP寄存器,对应当前栈帧的底部。因为在当前栈帧时栈的底部是固定不变的,因此局部变量的相对于伪SP的偏移量也就是固定的,这可以简化局部变量的维护工作。SP真伪寄存器的区分只有一个原则:如果使用SP时有一个临时标识符前缀就是伪SP,否则就是真SP寄存器。比如a(SP)b+8(SP)有a和b临时前缀,这里都是伪SP,而前缀部分一般用于表示局部变量的名字。而(SP)+8(SP)没有临时标识符作为前缀,它们都是真SP寄存器。

在X86平台,函数的调用栈是从高地址向低地址增长的,因此伪SP寄存器对应栈帧的底部其实是对应更大的地址。当前栈的顶部对应真实存在的SP寄存器,对应当前函数栈帧的栈顶,对应更小的地址。如果整个内存用Memory数组表示,那么Memory[0(SP):end-0(SP)]就是对应当前栈帧的切片,其中开始位置是真SP寄存器,结尾部分是伪SP寄存器。真SP寄存器一般用于表示调用其它函数时的参数和返回值,真SP寄存器对应内存较低的地址,所以被访问变量的偏移量是正数;而伪SP寄存器对应高地址,对应的局部变量的偏移量都是负数。

为了便于对比,我们将前面Foo函数的参数和返回值变量改成局部变量:

func Foo() {
	var c []byte
	var b int16
	var a bool
}

然后通过汇编语言重新实现Foo函数,并通过伪SP来定位局部变量:

TEXT ·Foo(SB), $32-0
	MOVQ a-32(SP),      AX // a
	MOVQ b-30(SP),      BX // b
	MOVQ c_data-24(SP), CX // c.Data
	MOVQ c_len-16(SP),  DX // c.Len
	MOVQ c_cap-8(SP),   DI // c.Cap
	RET

Foo函数有3个局部变量,但是没有调用其它的函数,因为对齐和填充的问题导致函数的栈帧大小为32个字节。因为Foo函数没有参数和返回值,因此参数和返回值大小为0个字节,当然这个部分可以省略不写。而局部变量中先定义的变量c离伪SP寄存器对应的地址最近,最后定义的变量a离伪SP寄存器最远。有两个因素导致出现这种逆序的结果:一个从Go语言函数角度理解,先定义的c变量地址要比后定义的变量的地址更大;另一个是伪SP寄存器对应栈帧的底部,而X86中栈是从高向低生长的,所以最先定义有着更大地址的c变量离栈的底部伪SP更近。

我们同样可以通过结构体来模拟局部变量的布局:

func Foo() {
	var local [1]struct{
		a bool
		b int16
		c []byte
	}
	var SP = &local[1];

	_ = -(unsafe.Sizeof(local)-unsafe.Offsetof(local.a)) + uintptr(&SP) // a
	_ = -(unsafe.Sizeof(local)-unsafe.Offsetof(local.b)) + uintptr(&SP) // b
	_ = -(unsafe.Sizeof(local)-unsafe.Offsetof(local.c)) + uintptr(&SP) // c
}

我们将之前的三个局部变量挪到一个结构体中。然后构造一个SP变量对应伪SP寄存器,对应局部变量结构体的顶部。然后根据局部变量总大小和每个变量对应成员的偏移量计算相对于伪SP的距离,最终偏移量是一个负数。

通过这种方式可以处理复杂的局部变量的偏移,同时也能保证每个变量地址的对齐要求。当然,除了地址对齐外,局部变量的布局并没有顺序要求。对于汇编比较熟悉同学可以根据自己的习惯组织变量的布局。

下面是Foo函数的局部变量的大小和内存布局:

图 3-11 函数的局部变量

从图中可以看出Foo函数局部变量和前一个例子中参数和返回值的内存布局是完全一样的,这也是我们故意设计的结果。但是参数和返回值是通过伪FP寄存器定位的,FP寄存器对应第一个参数的开始地址(第一个参数地址较低),因此每个变量的偏移量是正数。而局部变量是通过伪SP寄存器定位的,而伪SP寄存器对应的是第一个局部变量的结束地址(第一个局部变量地址较大),因此每个局部变量的偏移量都是负数。