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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3.6.2 高级汇编语言

Go汇编语言其实是一种高级的汇编语言。在这里高级一词并没有任何褒义或贬义的色彩,而是要强调Go汇编代码和最终真实执行的代码并不完全等价。Go汇编语言中一个指令在最终的目标代码中可能会被编译为其它等价的机器指令。Go汇编实现的函数或调用函数的指令在最终代码中也会被插入额外的指令。要彻底理解Go汇编语言就需要彻底了解汇编器到底插入了哪些指令。

为了便于分析,我们先构造一个禁止栈分裂的printnl函数。printnl函数内部都通过调用runtime.printnl函数输出换行:

TEXT ·printnl_nosplit(SB), NOSPLIT, $8
	CALL runtime·printnl(SB)
	RET

然后通过go tool asm -S main_amd64.s指令查看编译后的目标代码:

"".printnl_nosplit STEXT nosplit size=29 args=0xffffffff80000000 locals=0x10
0x0000 00000 (main_amd64.s:5) TEXT "".printnl_nosplit(SB), NOSPLIT	$16
0x0000 00000 (main_amd64.s:5) SUBQ $16, SP

0x0004 00004 (main_amd64.s:5) MOVQ BP, 8(SP)
0x0009 00009 (main_amd64.s:5) LEAQ 8(SP), BP

0x000e 00014 (main_amd64.s:6) CALL runtime.printnl(SB)

0x0013 00019 (main_amd64.s:7) MOVQ 8(SP), BP
0x0018 00024 (main_amd64.s:7) ADDQ $16, SP
0x001c 00028 (main_amd64.s:7) RET

输出代码中我们删除了非指令的部分。为了便于讲述,我们将上述代码重新排版,并根据缩进表示相关的功能:

TEXT "".printnl(SB), NOSPLIT, $16
	SUBQ $16, SP
		MOVQ BP, 8(SP)
		LEAQ 8(SP), BP
			CALL runtime.printnl(SB)
		MOVQ 8(SP), BP
	ADDQ $16, SP
RET

第一层是TEXT指令表示函数开始,到RET指令表示函数返回。第二层是SUBQ $16, SP指令为当前函数帧分配16字节的空间,在函数返回前通过ADDQ $16, SP指令回收16字节的栈空间。我们谨慎猜测在第二层是为函数多分配了8个字节的空间。那么为何要多分配8个字节的空间呢?再继续查看第三层的指令:开始部分有两个指令MOVQ BP, 8(SP)LEAQ 8(SP), BP,首先是将BP寄存器保持到多分配的8字节栈空间,然后将8(SP)地址重新保持到了BP寄存器中;结束部分是MOVQ 8(SP), BP指令则是从栈中恢复之前备份的前BP寄存器的值。最里面第四次层才是我们写的代码,调用runtime.printnl函数输出换行。

如果去掉NOSPILT标志,再重新查看生成的目标代码,会发现在函数的开头和结尾的地方又增加了新的指令。下面是经过缩进格式化的结果:

TEXT "".printnl_nosplit(SB), $16
L_BEGIN:
	MOVQ (TLS), CX
	CMPQ SP, 16(CX)
	JLS  L_MORE_STK

		SUBQ $16, SP
			MOVQ BP, 8(SP)
			LEAQ 8(SP), BP
				CALL runtime.printnl(SB)
			MOVQ 8(SP), BP
		ADDQ $16, SP

L_MORE_STK:
	CALL runtime.morestack_noctxt(SB)
	JMP  L_BEGIN
RET

其中开头有三个新指令,MOVQ (TLS), CX用于加载g结构体指针,然后第二个指令CMPQ SP, 16(CX)SP栈指针和g结构体中stackguard0成员比较,如果比较的结果小于0则跳转到结尾的L_MORE_STK部分。当获取到更多栈空间之后,通过JMP L_BEGIN指令跳转到函数的开始位置重新进行栈空间的检测。

g结构体在$GOROOT/src/runtime/runtime2.go文件定义,开头的结构成员如下:

type g struct {
	// Stack parameters.
	stack       stack   // offset known to runtime/cgo
	stackguard0 uintptr // offset known to liblink
	stackguard1 uintptr // offset known to liblink

	...
}

第一个成员是stack类型,表示当前栈的开始和结束地址。stack的定义如下:

// Stack describes a Go execution stack.
// The bounds of the stack are exactly [lo, hi),
// with no implicit data structures on either side.
type stack struct {
	lo uintptr
	hi uintptr
}

在g结构体中的stackguard0成员是出现爆栈前的警戒线。stackguard0的偏移量是16个字节,因此上述代码中的CMPQ SP, 16(AX)表示将当前的真实SP和爆栈警戒线比较,如果超出警戒线则表示需要进行栈扩容,也就是跳转到L_MORE_STK。在L_MORE_STK标号处,先调用runtime·morestack_noctxt进行栈扩容,然后又跳回到函数的开始位置,此时此刻函数的栈已经调整了。然后再进行一次栈大小的检测,如果依然不足则继续扩容,直到栈足够大为止。

以上是栈的扩容,但是栈的收缩是在何时处理的呢?我们知道Go运行时会定期进行垃圾回收操作,这其中包含栈的回收工作。如果栈使用到比例小于一定到阈值,则分配一个较小到栈空间,然后将栈上面到数据移动到新的栈中,栈移动的过程和栈扩容的过程类似。