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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3.6.5 递归函数: 1到n求和

递归函数是比较特殊的函数,递归函数通过调用自身并且在栈上保存状态,这可以简化很多问题的处理。Go语言中递归函数的强大之处是不用担心爆栈问题,因为栈可以根据需要进行扩容和收缩。

首先通过Go递归函数实现一个1到n的求和函数:

// sum = 1+2+...+n
// sum(100) = 5050
func sum(n int) int {
	if n > 0 { return n+sum(n-1) } else { return 0 }
}

然后通过if/goto重构上面的递归函数,以便于转义为汇编版本:

func sum(n int) (result int) {
	var AX = n
	var BX int

	if n > 0 { goto L_STEP_TO_END }
	goto L_END

L_STEP_TO_END:
	AX -= 1
	BX = sum(AX)

	AX = n // 调用函数后, AX重新恢复为n
	BX += AX

	return BX

L_END:
	return 0
}

在改写之后,递归调用的参数需要引入局部变量,保存中间结果也需要引入局部变量。而通过栈来保存中间的调用状态正是递归函数的核心。因为输入参数也在栈上,所以我们可以通过输入参数来保存少量的状态。同时我们模拟定义了AX和BX寄存器,寄存器在使用前需要初始化,并且在函数调用后也需要重新初始化。

下面继续改造为汇编语言版本:

// func sum(n int) (result int)
TEXT ·sum(SB), NOSPLIT, $16-16
	MOVQ n+0(FP), AX       // n
	MOVQ result+8(FP), BX  // result

	CMPQ AX, $0            // test n - 0
	JG   L_STEP_TO_END     // if > 0: goto L_STEP_TO_END
	JMP  L_END             // goto L_STEP_TO_END

L_STEP_TO_END:
	SUBQ $1, AX            // AX -= 1
	MOVQ AX, 0(SP)         // arg: n-1
	CALL ·sum(SB)          // call sum(n-1)
	MOVQ 8(SP), BX         // BX = sum(n-1)

	MOVQ n+0(FP), AX       // AX = n
	ADDQ AX, BX            // BX += AX
	MOVQ BX, result+8(FP)  // return BX
	RET

L_END:
	MOVQ $0, result+8(FP) // return 0
	RET

在汇编版本函数中并没有定义局部变量,只有用于调用自身的临时栈空间。因为函数本身的参数和返回值有16个字节,因此栈帧的大小也为16字节。L_STEP_TO_END标号部分用于处理递归调用,是函数比较复杂的部分。L_END用于处理递归终结的部分。

调用sum函数的参数在0(SP)位置,调用结束后的返回值在8(SP)位置。在函数调用之后要需要重新为需要的寄存器注入值,因为被调用的函数内部很可能会破坏了寄存器的状态。同时调用函数的参数值也是不可信任的,输入参数值也可能在被调用函数内部被修改了。

总得来说用汇编实现递归函数和普通函数并没有什么区别,当然是在没有考虑爆栈的前提下。我们的函数应该可以对较小的n进行求和,但是当n大到一定程度,也就是栈达到一定的深度,必然会出现爆栈的问题。爆栈是C语言的特性,不应该在哪怕是Go汇编语言中出现。

Go语言的编译器在生成函数的机器代码时,会在开头插入一小段代码。因为sum函数也需要深度递归调用,因此我们删除了NOSPLIT标志,让汇编器为我们自动生成一个栈扩容的代码:

// func sum(n int) int
TEXT ·sum(SB), $16-16
	NO_LOCAL_POINTERS

	// 原来的代码

除了去掉了NOSPLIT标志,我们还在函数开头增加了一个NO_LOCAL_POINTERS语句,该语句表示函数没有局部指针变量。栈的扩容必然要涉及函数参数和局部编指针的调整,如果缺少局部指针信息将导致扩容工作无法进行。不仅仅是栈的扩容需要函数的参数和局部指针标记表格,在GC进行垃圾回收时也将需要。函数的参数和返回值的指针状态可以通过在Go语言中的函数声明中获取,函数的局部变量则需要手工指定。因为手工指定指针表格是一个非常繁琐的工作,因此一般要避免在手写汇编中出现局部指针。

喜欢深究的读者可能会有一个问题:如果进行垃圾回收或栈调整时,寄存器中的指针是如何维护的?前文说过,Go语言的函数调用是通过栈进行传递参数的,并没有使用寄存器传递参数。同时函数调用之后所有的寄存器视为失效。因此在调整和维护指针时,只需要扫描内存中的指针数据,寄存器中的数据在垃圾回收器函数返回后都需要重新加载,因此寄存器是不需要扫描的。