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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3.9.2 调试汇编程序

用Delve调试Go汇编程序的过程比调试Go语言程序更加简单。调试汇编程序时,我们需要时刻关注寄存器的状态,如果涉及函数调用或局部变量或参数还需要重点关注栈寄存器SP的状态。

为了编译演示,我们重新实现一个更简单的main函数:

package main

func main() { asmSayHello() }

func asmSayHello()

在main函数中调用汇编语言实现的asmSayHello函数输出一个字符串。

asmSayHello函数在main_amd64.s文件中实现:

#include "textflag.h"
#include "funcdata.h"

// "Hello World!\n"
DATA  text<>+0(SB)/8,$"Hello Wo"
DATA  text<>+8(SB)/8,$"rld!\n"
GLOBL text<>(SB),NOPTR,$16

// func asmSayHello()
TEXT ·asmSayHello(SB), $16-0
	NO_LOCAL_POINTERS
	MOVQ $text<>+0(SB), AX
	MOVQ AX, (SP)
	MOVQ $16, 8(SP)
	CALL runtime·printstring(SB)
	RET

参考前面的调试流程,在执行到main函数断点时,可以disassemble反汇编命令查看main函数对应的汇编代码:

(dlv) break main.main
Breakpoint 1 set at 0x105011f for main.main() ./main.go:3
(dlv) continue
> main.main() ./main.go:3 (hits goroutine(1):1 total:1) (PC: 0x105011f)
  1: package main
  2:
=>3: func main() { asmSayHello() }
  4:
  5: func asmSayHello()
(dlv) disassemble
TEXT main.main(SB) /path/to/pkg/main.go
  main.go:3 0x1050110  65488b0c25a0080000 mov rcx, qword ptr g  [0x8a0]
  main.go:3 0x1050119  483b6110           cmp rsp, qword ptr [r  +0x10]
  main.go:3 0x105011d  761a               jbe 0x1050139
=>main.go:3 0x105011f* 4883ec08           sub rsp, 0x8
  main.go:3 0x1050123  48892c24           mov qword ptr [rsp], rbp
  main.go:3 0x1050127  488d2c24           lea rbp, ptr [rsp]
  main.go:3 0x105012b  e880000000         call $main.asmSayHello
  main.go:3 0x1050130  488b2c24           mov rbp, qword ptr [rsp]
  main.go:3 0x1050134  4883c408           add rsp, 0x8
  main.go:3 0x1050138  c3                 ret
  main.go:3 0x1050139  e87288ffff         call $runtime.morestack_noctxt
  main.go:3 0x105013e  ebd0               jmp $main.main
(dlv)

虽然main函数内部只有一行函数调用语句,但是却生成了很多汇编指令。在函数的开头通过比较rsp寄存器判断栈空间是否不足,如果不足则跳转到0x1050139地址调用runtime.morestack函数进行栈扩容,然后跳回到main函数开始位置重新进行栈空间测试。而在asmSayHello函数调用之前,先扩展rsp空间用于临时存储rbp寄存器的状态,在函数返回后通过栈恢复rbp的值并回收临时栈空间。通过对比Go语言代码和对应的汇编代码,我们可以加深对Go汇编语言的理解。

从汇编语言角度深刻Go语言各种特性的工作机制对调试工作也是一个很大的帮助。如果希望在汇编指令层面调试Go代码,Delve还提供了一个step-instruction单步执行汇编指令的命令。

现在我们依然用break命令在asmSayHello函数设置断点,并且输入continue命令让调试器执行到断点位置停下:

(dlv) break main.asmSayHello
Breakpoint 2 set at 0x10501bf for main.asmSayHello() ./main_amd64.s:10
(dlv) continue
> main.asmSayHello() ./main_amd64.s:10 (hits goroutine(1):1 total:1) (PC: 0x10501bf)
     5: DATA  text<>+0(SB)/8,$"Hello Wo"
     6: DATA  text<>+8(SB)/8,$"rld!\n"
     7: GLOBL text<>(SB),NOPTR,$16
     8:
     9: // func asmSayHello()
=>  10: TEXT ·asmSayHello(SB), $16-0
    11:         NO_LOCAL_POINTERS
    12:         MOVQ $text<>+0(SB), AX
    13:         MOVQ AX, (SP)
    14:         MOVQ $16, 8(SP)
    15:         CALL runtime·printstring(SB)
(dlv)

此时我们可以通过regs查看全部的寄存器状态:

(dlv) regs
       rax = 0x0000000001050110
       rbx = 0x0000000000000000
       rcx = 0x000000c420000300
       rdx = 0x0000000001070be0
       rdi = 0x000000c42007c020
       rsi = 0x0000000000000001
       rbp = 0x000000c420049f78
       rsp = 0x000000c420049f70
        r8 = 0x7fffffffffffffff
        r9 = 0xffffffffffffffff
       r10 = 0x0000000000000100
       r11 = 0x0000000000000286
       r12 = 0x000000c41fffff7c
       r13 = 0x0000000000000000
       r14 = 0x0000000000000178
       r15 = 0x0000000000000004
       rip = 0x00000000010501bf
    rflags = 0x0000000000000206
...
(dlv)

因为AMD64的各种寄存器非常多,项目的信息中刻意省略了非通用的寄存器。如果再单步执行到13行时,可以发现AX寄存器值的变化。

(dlv) regs
       rax = 0x00000000010a4060
       rbx = 0x0000000000000000
       rcx = 0x000000c420000300
...
(dlv)

因此我们可以推断汇编程序内部定义的text<>数据的地址为0x00000000010a4060。我们可以用过print命令来查看该内存内的数据:

(dlv) print *(*[5]byte)(uintptr(0x00000000010a4060))
[5]uint8 [72,101,108,108,111]
(dlv)

我们可以发现输出的[5]uint8 [72,101,108,108,111]刚好是对应“Hello”字符串。通过类似的方法,我们可以通过查看SP对应的栈指针位置,然后查看栈中局部变量的值。

至此我们就掌握了Go汇编程序的简单调试技术。