Golang源码学习:使用gdb调试探究Golang函数调用栈结构

本文所使用的golang为1.14,gdb为8.1。

一直以来对于函数调用都仅限于函数调用栈这个概念上,但对于其中的详细结构却了解不多。所以用gdb调试一个简单的例子,一探究竟。

函数调用栈的结构(以下简称栈)#

栈包含以下作用:

  • 存储函数返回地址。
  • 保存调用者的rbp。
  • 保存局部变量。
  • 为被调用函数预留返回值内存空间。
  • 向被调用函数传递参数。

每个函数在执行时都需要一段内存来保存上述的内容,这段内存被称为函数的“栈帧

一般CPU中包含两个与栈相关的寄存器:

  • rsp:始终指向整个函数调用栈的栈顶
  • rbp:指向栈帧的开始位置

但存储函数返回地址的内存单元的地址并不在rbp~rsp之间。而是在0x8(%rbp)的位置

栈的工作原理#

栈是一种后进先出(LIFO)的结构,在Linux AMD64环境中,golang栈由高地址向低地址生长。

当发生函数调用时,由于调用者未执行完成,栈帧还要继续使用,不可以被调用者覆盖,所以要在当前栈顶外继续为被调用者划分栈帧。这个操作叫做压栈(push),并向外移动rbp、rsp,栈空间随之增长。

与之对应的,当被调用者执行完成时,其栈帧就会被收回。这个操作叫出栈(pop),并向内移动rbp、rsp,栈空间随之缩小。调用者继续执行

栈空间的生长和收缩是由编译器生成的代码自动管理的的,与堆不同(手动或者gc)。

流程图#

先给出流程图,好心里有个数:

代码及编译#

指定 -gcflags="-N -l" 是为了关闭编译器优化。

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go build -gcflags="-N -l" -o test test.go

为了方便查看内存内容,将变量都声明为了int64。

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package main func main() { caller() } func caller() { var a int64 = 1 var b int64 = 2 callee(a, b) } func callee(a, b int64) (int64, int64) { c := a + 5 d := b * 4 return c, d }

反汇编代码#

反汇编的内容为:

  • 指令地址
  • 指令相对于当前函数起始位置以字节为单位的偏移
  • 指令内容
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gdb test

断点打在caller方法上,因为主要的研究对象是caller与callee。

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(gdb) b main.caller Breakpoint 1 at 0x458360: file /root/study/test.go, line 7.

输入run 运行程序。

caller函数反汇编,/s 表示将源代码与汇编代码一起显示,如不指定则只显示汇编代码。

可使用step(s)按源码级别调试,或者stepi(si)按汇编指令级别调试。

下面是caller、callee的反汇编代码和源码注释,还有与之相关的内存结构对照表。

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(gdb) disassemble /s Dump of assembler code for function main.caller: 7 func caller() { => 0x0000000000458360 <+0>: mov %fs:0xfffffffffffffff8,%rcx # 将当前g的指针存入rcx 0x0000000000458369 <+9>: cmp 0x10(%rcx),%rsp # 比较g.stackguard0和rsp 0x000000000045836d <+13>: jbe 0x4583b0 <main.caller+80> # 如果rsp较小,表示栈有溢出风险,调用runtime.morestack_noctxt 0x000000000045836f <+15>: sub $0x38,%rsp # 划分0x38字节的栈空间 0x0000000000458373 <+19>: mov %rbp,0x30(%rsp) # 保存调用者main的rbp 0x0000000000458378 <+24>: lea 0x30(%rsp),%rbp # 设置此函数栈的rbp 8 var a int64 = 1 0x000000000045837d <+29>: movq $0x1,0x28(%rsp) # 局部变量a入栈 9 var b int64 = 2 0x0000000000458386 <+38>: movq $0x2,0x20(%rsp) # 局部变量b入栈 10 callee(a, b) 0x000000000045838f <+47>: mov 0x28(%rsp),%rax # 读取第一个参数到rax 0x0000000000458394 <+52>: mov %rax,(%rsp) # callee第一个参数入栈 0x0000000000458398 <+56>: movq $0x2,0x8(%rsp) # callee第二个参数入栈 0x00000000004583a1 <+65>: callq 0x4583c0 <main.callee> # 调用callee 11 } 0x00000000004583a6 <+70>: mov 0x30(%rsp),%rbp # rbp还原为main的rbp 0x00000000004583ab <+75>: add $0x38,%rsp # rsp还原为main的rsp 0x00000000004583af <+79>: retq # 返回 <autogenerated>: 0x00000000004583b0 <+80>: callq 0x451b30 <runtime.morestack_noctxt> 0x00000000004583b5 <+85>: jmp 0x458360 <main.caller> End of assembler dump.

callee函数反汇编

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(gdb) s # 单步调试进入的callee函数 main.callee (a=1, b=2, ~r2=824634073176, ~r3=0) at /root/study/test.go:13 13 func callee(a, b int64) (int64, int64) { (gdb) disassemble /s Dump of assembler code for function main.callee: 13 func callee(a, b int64) (int64, int64) { => 0x00000000004583c0 <+0>: sub $0x18,%rsp # 划分0x18大小的栈 0x00000000004583c4 <+4>: mov %rbp,0x10(%rsp) # 保存调用者caller的rbp 0x00000000004583c9 <+9>: lea 0x10(%rsp),%rbp # 设置此函数栈的rbp 0x00000000004583ce <+14>: movq $0x0,0x30(%rsp) # 初始化第一个返回值为0 0x00000000004583d7 <+23>: movq $0x0,0x38(%rsp) # 初始化第二个返回值为0 14 c := a + 5 0x00000000004583e0 <+32>: mov 0x20(%rsp),%rax # 从内存中获取第一个参数值到rax 0x00000000004583e5 <+37>: add $0x5,%rax # rax+=5 0x00000000004583e9 <+41>: mov %rax,0x8(%rsp) # 局部变量c入栈 15 d := b * 4 0x00000000004583ee <+46>: mov 0x28(%rsp),%rax # 从内存中获取第二个参数值到rax 0x00000000004583f3 <+51>: shl $0x2,%rax # rax*=2 0x00000000004583f7 <+55>: mov %rax,(%rsp) # 局部变量d入栈 16 return c, d 0x00000000004583fb <+59>: mov 0x8(%rsp),%rax # 局部变量c的值存储到rax 0x0000000000458400 <+64>: mov %rax,0x30(%rsp) # 将c赋值给第一个返回值 0x0000000000458405 <+69>: mov (%rsp),%rax # 局部变量d的值存储到rax 0x0000000000458409 <+73>: mov %rax,0x38(%rsp) # 将d赋值给第二个返回值 17 } 0x000000000045840e <+78>: mov 0x10(%rsp),%rbp # rbp还原为caller的rbp 0x0000000000458413 <+83>: add $0x18,%rsp # rsp还原为caller的rsp 0x0000000000458417 <+87>: retq # 返回 End of assembler dump.

内存结构对照表#

一些结论#

  • golang通过rsp加偏移量访问栈帧。
  • 被调用者的入参是位于调用者的栈中。
  • caller会为有返回值的callee,在栈中预留返回值内存空间。而callee在执行return时,会将返回值写入caller在栈中预留的空间。
  • 意外收获是了解了多值返回的实现。
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