Go原生插件使用问题全解析

作者 | 丁飞
来源 | 阿里开发者公众号

导言

本人在设计和落地基于Go原生插件机制的扩展开发产品时踩到了很多坑，由于这方面相关资料很少，因而借此机会做一个非常粗浅的总结，希望能对大家有所帮助。

本文只说问题和解决方案，不读代码。

一些背景知识

2.1 运行时

通常而言，在计算机编程语言领域，“运行时”的概念和一些需要使用到vm的语言相关。程序的运行由两个部分组成：目标代码和“虚拟机”。比如最为典型的JAVA，即Java Class + JRE。对于一些看似不需要“虚拟机”的编程语言，就不太会有“运行时”的概念，程序的运行只需要一个部分，即目标代码。但事实上，即使是C/C++，也有“运行时”，即它所运行平台的OS/Lib。

Go也是一样，因为运行Go程序不需要前置部署类似于JRE的“运行时”，所以它看起来似乎跟“虚拟机”或者“运行时”没啥关系。但事实上，Go语言的“运行时”被编译器编译成了二进制目标代码的一部分。

图2-1. Java程序、runtime和OS关系

图2-2. C/C++程序、runtime和OS关系

图2-3. Go程序、runtime和OS关系

2.2 Go原生插件机制

作为一个看起来更贴近C/C++技术栈的Go语言来说，支持类似动态链接库的扩展一直是社区中较为强烈的诉求。如图2-5，Go在标准库中专门提供了一个plugin 包，作为插件的语言级编程界面，src/plugin 包的本质是使用cgo机制调用unix的标准接口：dlopen() 和dlsym() 。因此，它给C/C++背景的程序员一种“这题我会”的错觉。

图2-4. C/C++程序加载动态链接库

图2-5. Go程序加载动态链接库

典型问题解决

很遗憾，与C/C++技术栈相比，Go的插件的产出物虽然也是一个动态链接库文件，但它对于插件的开发、使用有一系列很复杂的内置约束。更令人头大的是，Go语言不但没有对这些约束进行系统性的介绍，甚至写了一些比较差的设计和实现，导致插件相关问题的排错非常反人类。本章节重点跟大家一起看下，在开发、使用Go插件，主要是编译、加载插件的时候，最常见、但必须定位到Go标准库（主要包括编译器、链接器、打包器和运行时部分）源码才能完全弄明白的几个问题，及对应的解决方法。

简而言之，Go的主程序在加载plugin时，会在“runtime”里对两者进行一堆约束检查，包括但不限于：

go version一致
go path一致
go dependency的交集一致
- 代码一致
- path一致
go build 某些flag一致

3.1 不一致的标准库版本

主程序加载插件时报错：

plugin was built with a different version of package runtime/internal/sys

从这个报错的文本可以得知，具体有问题的库是runtime/internal/sys ，很显然这是一个go的内置标准库。看到这里，你可能会有很大的疑惑：我明明用的是同一个本地环境编译主程序和插件，为什么报标准库不是一个版本？

答案是，go的error日志描述不准确。而这个报错出现的根本原因可以归结为：主程序和插件的某些关键编译flag不一致，跟“版本”没啥关系。

比如，你使用下面的命令编译插件：

GO111MODULE=on go build --buildmode=plugin -mod readonly -o ./codec.so ./codec.go

但是你使用goland的debug模式调试主程序，此时，goland会帮你把go build命令按下面的例子组装好：

/usr/local/go/bin/go test -c -o /private/var/folders/gy/2zv22t710sd7m0x9bcfzq23r0000gp/T/GoLand/___Test_TaskC_in_github_com_fdingiit_mpl_test.test -gcflags all=-N -l github.com/fdingiit/mpl/test #gosetup

注意，goland组装的编译命令里包含关键的-gcflags all=-N -l 参数，但是插件编译的命令里没有。此时，你在尝试拉起插件时就会得到一个有关runtime/internal/sys的报错。

图3-1. 编译flag不一致导致的加载失败

解决这一类标准库版本不一致问题的方案比较简单：尽可能对齐主程序和插件编译的flag。事实上，有一些flag是不影响插件加载的，你可以在具体的实践中慢慢摸索。

3.2 不一致的第三方库版本

如果你使用vendor来管理Go的依赖库，那么当解决3.1的问题之后，你100%会立即遇到以下这个报错：

plugin was built with a different version of package xxxxxxxx

其中，xxxxxxxx 指的是某一个具体的三方库，比如github.com/stretchr/testify 。这个报错有几个非常典型的原因，如果没有相关的排查经验，其中几个可能会烧掉开发人员不少时间。

3.2.1 Case 1. 版本不一致

如报错所示，似乎原因很明确，即主程序和插件所共同依赖的某个第三方库版本不一致，报错中会明确告诉你哪一个库有问题。此时，你可以对比排查主程序和插件的go.mod 文件，分别找到问题库的版本，看看他们是否一致。如果这时候你发现主程和插件确实有commitid或tag的不一致问题，那解决的方法也很简单：对齐它们。

但是在很多场景下，你只会用到三方库的一部分：如一个package，或者只是引了一个interface。这一部分的代码在不同的版本里根本就没有变更；但其他没用到的代码的变更，同样会导致整个三方库版本号的变更，进而导致你成为那个“版本不一致”的无辜受害者。

而且，此时你可能立即会遇到另一个问题：以谁为基准对齐？主程序？还是插件？

从常理上来说，以主程序为基线进行对齐是一个比较好的策略，毕竟插件是新添加的“附属品”，且主程序与插件通常是1对多的关系。但是，如果插件的三方库依赖因为任何原因就是不能和主程序对齐怎么办？在尝试了很久以后，我暂时没有找到一个完美解决这个问题的办法。

如果版本无法对齐，就只能从根本上放弃走插件这条路。

Go语言的这种对三方库的、几乎无脑的强一致性约束，从一方面来说，避免了运行时因为版本不一致带来的潜在问题；从另一方面来说，这种刻意不给程序员灵活度的设计，对插件化、定制化、扩展化开发非常的不友好。

图3-2. 共同依赖的三方库版本不一致导致的加载失败

3.2.2 case 2. 版本号一致，代码不一致

当你按照3.2.1的思路排查go.mod 文件，但是惊讶的发现报错的库版本是一致的时候，事情就会变得复杂起来。你可能会拿出世界上最先进的文本查验工具，并花掉一个上午去diff 三方库的commitid，但它们就是一模一样，似乎陷入了薛定谔的版本。

出现这个问题可能的一个不是原因的原因是：有人直接修改了vendor目录下的代码，Go插件机制会对代码内容的一致性进行校验。

这真的是一个非常令人头大，并难以排查的原因。除了修改代码的那个人，和已经在其他case中被“坑”过的那些人，没人会知道这件事情。如果修改的vendor代码出现在主程序里，你就几乎没有任何靠谱的办法让它们正常工作起来。

不要直接在vendor里改代码，回馈开源社区，或者fork-replace。

好消息是，你不需要解决这个问题。因为即使解决了，也还会有更大的问题等着你。

图3-2. 共同依赖的三方库代码被就地修改导致的加载失败

3.2.3 case 3. 路径不一致

当按照3.2.1和3.2.2的思路都把问题排查、解决完，但它还是报different version of package的时候，可能你就会开始对Go的插件机制口吐芬芳了：版本真的一毛一样，代码真的一行没动，为什么还报不同版本？？？

原因是：插件机制会校验依赖库源码的「路径」，因此不能使用vendor管理依赖。

举个例子：你的主程序源码放在/path/to/main目录下，因此，你的某个三方库依赖的目录应该是/path/to/main/vendor/some/thrid/part/lib；同理，你的插件源码放在/path/to/plugin目录下，因此，同一个三方库依赖的目录应该是/path/to/plugin/vendor/some/thrid/part/lib。这些「文件路径」数据会被打包到二进制可执行文件里并用于校验，当主程序加载插件时，Go的“运行时”“聪明的”通过「文件路径」的差异认定它和插件用的不是同一份代码，然后报了个different version of package。

图3-3. 使用vendor机制管理第三方库导致的加载失败

同样的问题也可能会出现在使用不同机器/用户，分别编译主程序、插件的场景下：用户名不同，go代码的路径应该也会不一样。

解决这类问题的方法很暴力直接：删掉主程序和插件的vendor目录，或者使用-mod=readonly 编译flag。

到这里，如果你是使用同一台机器进行主程序和插件的编译，那么常见的问题应该都基本解决了，插件机制理应能够正常工作。另一方面，由于不再使用vendor管理依赖，因此3.2.2的问题也会在这里被强制解决：要么提PR给社区，要么fork-replace。

图3-4. 成功加载

3.3 不一致的Go版本

fatal error: runtime: no plugin module data

除了上面的那些问题以外，还有一个在多机器分别编译主程/插件场景下的常见报错。这个报错的一个可能原因是Go版本不一致，对齐它们即可。（如果从机器层面就是不能对齐怎么办？）

图3-5. Go版本不一致导致的加载失败

统一解决方案

从3.1到3.3，我们看了一些很难排查，也不是很好处理的问题。除此之外，其实还有一些问题没有被重点介绍进来。作为一个编程语言官方支持的扩展机制，做的如此用户不友好确实出人意料。

我所在的团队由于重点依赖Go的插件机制做定开，因此必须拿出一个系统化的方案把这些问题统统解决掉。在尝试直接修改Go源码无果以后（吐槽：Go插件机制源码写的令人略感遗憾），我重点从以下几个方面入手开展了相关工作：

统一编译环境：
- 提供一个标准的docker image用来编译主程序和插件，规避任何go版本、gopath路径、用户名等不一致所带来的问题
- 预制go/pkg/mod，尽可能减少因为没有使用vendor模式导致每次编译都要重新下载依赖的问题
统一Makefile：
- 提供一套主程序和插件的编译Makefile，规避任何因为go build命令带来的问题
统一插件开发脚手架：
- 由脚手架，而不是开发者拉齐插件与主程序的依赖版本。并由脚手架解决其他相关问题
ACI化：
- 将编译流程aci化，进一步避免出现错误

图4-1. 统一解决方案

至此，关于Go插件的常见问题及解决方法介绍就暂告段落了，希望对你有所帮助。

Bonus

如果真的想从根本上搞清楚插件校验的机制，那这里为你提供一些快速进入源码阅读状态的入口。我使用的Go源码为1.15.2版本。

5.1 go build到底在做啥

你可以在go build 命令里添加-x 参数，以显式的打印出Go程序编译、链接、打包的全流程，例如：

go build -x -buildmode=plugin -o ../calc_plugin.so calc_plugin.go

5.2 目标代码生成

go/src/cmd/compile/internal/gc/obj.go:55 ：注意第67和第72行，这里是两个入口

go/src/cmd/compile/internal/gc/iexport.go:244 ：注意280行，这里会记录path相关数据

5.3 库哈希生成算法

go/src/cmd/link/internal/ld/lib.go:967 ：注意第995～1025行，这里计算pkg的hash

5.4 库哈希校验

go/src/runtime/symtab.go:392 ：关键数据结构

go/src/runtime/plugin.go:52 ：链接期hash与运行时hash值校验点

go/src/cmd/link/internal/ld/symtab.go:621 ：链接期hash赋值点

go/src/cmd/link/internal/ld/symtab.go:521 ：运行时hash赋值点

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