Go 语言 内部机制

原文链接：https://chai2010.cn/advanced-go-programming-book/ch2-cgo/ch2-05-internal.html

2.5 内部机制

对于刚刚接触 CGO 用户来说，CGO 的很多特性类似魔法。CGO 特性主要是通过一个叫 cgo 的命令行工具来辅助输出 Go 和 C 之间的桥接代码。本节我们尝试从生成的代码分析 Go 语言和 C 语言函数直接相互调用的流程。

2.5.1 CGO 生成的中间文件

要了解 CGO 技术的底层秘密首先需要了解 CGO 生成了哪些中间文件。我们可以在构建一个 cgo 包时增加一个 -work 输出中间生成文件所在的目录并且在构建完成时保留中间文件。如果是比较简单的 cgo 代码我们也可以直接通过手工调用 go tool cgo 命令来查看生成的中间文件。

在一个 Go 源文件中，如果出现了 import "C" 指令则表示将调用 cgo 命令生成对应的中间文件。下图是 cgo 生成的中间文件的简单示意图：

图 2-4 cgo 生成的中间文件

包中有 4 个 Go 文件，其中 nocgo 开头的文件中没有 import "C" 指令，其它的 2 个文件则包含了 cgo 代码。cgo 命令会为每个包含了 cgo 代码的 Go 文件创建 2 个中间文件，比如 main.go 会分别创建 main.cgo1.go 和 main.cgo2.c 两个中间文件。然后会为整个包创建一个 _cgo_gotypes.go Go 文件，其中包含 Go 语言部分辅助代码。此外还会创建一个 _cgo_export.h 和 _cgo_export.c 文件，对应 Go 语言导出到 C 语言的类型和函数。

2.5.2 Go 调用 C 函数

Go 调用 C 函数是 CGO 最常见的应用场景，我们将从最简单的例子入手分析 Go 调用 C 函数的详细流程。

具体代码如下（main.go）：

package main

//int sum(int a, int b) { return a+b; }
import "C"

func main() {
    println(C.sum(1, 1))
}

首先构建并运行该例子没有错误。然后通过 cgo 命令行工具在_obj 目录生成中间文件：

$ go tool cgo main.go

查看_obj 目录生成中间文件：

$ ls _obj | awk '{print $NF}'
_cgo_.o
_cgo_export.c
_cgo_export.h
_cgo_flags
_cgo_gotypes.go
_cgo_main.c
main.cgo1.go
main.cgo2.c

其中 _cgo_.o、_cgo_flags 和 _cgo_main.c 文件和我们的代码没有直接的逻辑关联，可以暂时忽略。

我们先查看 main.cgo1.go 文件，它是 main.go 文件展开虚拟 C 包相关函数和变量后的 Go 代码：

package main

//int sum(int a, int b) { return a+b; }
import _ "unsafe"

func main() {
    println((_Cfunc_sum)(1, 1))
}

其中 C.sum(1, 1) 函数调用被替换成了 (_Cfunc_sum)(1, 1)。每一个 C.xxx 形式的函数都会被替换为 _Cfunc_xxx 格式的纯 Go 函数，其中前缀 _Cfunc_ 表示这是一个 C 函数，对应一个私有的 Go 桥接函数。

_Cfunc_sum 函数在 cgo 生成的 _cgo_gotypes.go 文件中定义： 

//go:cgo_unsafe_args
func _Cfunc_sum(p0 _Ctype_int, p1 _Ctype_int) (r1 _Ctype_int) {
    _cgo_runtime_cgocall(_cgo_506f45f9fa85_Cfunc_sum, uintptr(unsafe.Pointer(&p0)))
    if _Cgo_always_false {
        _Cgo_use(p0)
        _Cgo_use(p1)
    }
    return
}

_Cfunc_sum 函数的参数和返回值 _Ctype_int 类型对应 C.int 类型，命名的规则和 _Cfunc_xxx 类似，不同的前缀用于区分函数和类型。

其中 _cgo_runtime_cgocall 对应 runtime.cgocall 函数，函数的声明如下：

func runtime.cgocall(fn, arg unsafe.Pointer) int32

第一个参数是 C 语言函数的地址，第二个参数是存放 C 语言函数对应的参数结构体的地址。

在这个例子中，被传入 C 语言函数 _cgo_506f45f9fa85_Cfunc_sum 也是 cgo 生成的中间函数。函数在 main.cgo2.c 定义：

void _cgo_506f45f9fa85_Cfunc_sum(void *v) {
    struct {
        int p0;
        int p1;
        int r;
        char __pad12[4];
    } __attribute__((__packed__)) *a = v;
    char *stktop = _cgo_topofstack();
    __typeof__(a->r) r;
    _cgo_tsan_acquire();
    r = sum(a->p0, a->p1);
    _cgo_tsan_release();
    a = (void*)((char*)a + (_cgo_topofstack() - stktop));
    a->r = r;
}

这个函数参数只有一个 void 泛型的指针，函数没有返回值。真实的 sum 函数的函数参数和返回值均通过唯一的参数指针类实现。

_cgo_506f45f9fa85_Cfunc_sum 函数的指针指向的结构为：

    struct {
        int p0;
        int p1;
        int r;
        char __pad12[4];
    } __attribute__((__packed__)) *a = v;

其中 p0 成员对应 sum 的第一个参数，p1 成员对应 sum 的第二个参数，r 成员，__pad12 用于填充结构体保证对齐 CPU 机器字的整倍数。

然后从参数指向的结构体获取调用参数后开始调用真实的 C 语言版 sum 函数，并且将返回值保持到结构体内返回值对应的成员。

因为 Go 语言和 C 语言有着不同的内存模型和函数调用规范。其中 _cgo_topofstack 函数相关的代码用于 C 函数调用后恢复调用栈。_cgo_tsan_acquire 和 _cgo_tsan_release 则是用于扫描 CGO 相关的函数则是对 CGO 相关函数的指针做相关检查。

C.sum 的整个调用流程图如下：

图 2-5 调用 C 函数

其中 runtime.cgocall 函数是实现 Go 语言到 C 语言函数跨界调用的关键。更详细的细节可以参考 https://golang.org/src/cmd/cgo/doc.go 内部的代码注释和 runtime.cgocall 函数的实现。

2.5.3 C 调用 Go 函数

在简单分析了 Go 调用 C 函数的流程后，我们现在来分析 C 反向调用 Go 函数的流程。同样，我们现构造一个 Go 语言版本的 sum 函数，文件名同样为 main.go：

package main

//int sum(int a, int b);
import "C"

//export sum
func sum(a, b C.int) C.int {
    return a + b
}

func main() {}

CGO 的语法细节不再赘述。为了在 C 语言中使用 sum 函数，我们需要将 Go 代码编译为一个 C 静态库：

$ go build -buildmode=c-archive -o sum.a main.go

如果没有错误的话，以上编译命令将生成一个 sum.a 静态库和 sum.h 头文件。其中 sum.h 头文件将包含 sum 函数的声明，静态库中将包含 sum 函数的实现。

要分析生成的 C 语言版 sum 函数的调用流程，同样需要分析 cgo 生成的中间文件：

$ go tool cgo main.go

_obj 目录还是生成类似的中间文件。为了查看方便，我们刻意忽略了无关的几个文件：

$ ls _obj | awk '{print $NF}'
_cgo_export.c
_cgo_export.h
_cgo_gotypes.go
main.cgo1.go
main.cgo2.c

其中 _cgo_export.h 文件的内容和生成 C 静态库时产生的 sum.h 头文件是同一个文件，里面同样包含 sum 函数的声明。

既然 C 语言是主调用者，我们需要先从 C 语言版 sum 函数的实现开始分析。C 语言版本的 sum 函数在生成的 _cgo_export.c 文件中（该文件包含的是 Go 语言导出函数对应的 C 语言函数实现）：

int sum(int p0, int p1)
{
    __SIZE_TYPE__ _cgo_ctxt = _cgo_wait_runtime_init_done();
    struct {
        int p0;
        int p1;
        int r0;
        char __pad0[4];
    } __attribute__((__packed__)) a;
    a.p0 = p0;
    a.p1 = p1;
    _cgo_tsan_release();
    crosscall2(_cgoexp_8313eaf44386_sum, &a, 16, _cgo_ctxt);
    _cgo_tsan_acquire();
    _cgo_release_context(_cgo_ctxt);
    return a.r0;
}

sum 函数的内容采用和前面类似的技术，将 sum 函数的参数和返回值打包到一个结构体中，然后通过 runtime/cgo.crosscall2 函数将结构体传给 _cgoexp_8313eaf44386_sum 函数执行。

runtime/cgo.crosscall2 函数采用汇编语言实现，它对应的函数声明如下：

func runtime/cgo.crosscall2(
    fn func(a unsafe.Pointer, n int32, ctxt uintptr),
    a unsafe.Pointer, n int32,
    ctxt uintptr,
)

其中关键的是 fn 和 a，fn 是中间代理函数的指针，a 是对应调用参数和返回值的结构体指针。

中间的 _cgoexp_8313eaf44386_sum 代理函数在 _cgo_gotypes.go 文件：

func _cgoexp_8313eaf44386_sum(a unsafe.Pointer, n int32, ctxt uintptr) {
    fn := _cgoexpwrap_8313eaf44386_sum
    _cgo_runtime_cgocallback(**(**unsafe.Pointer)(unsafe.Pointer(&fn)), a, uintptr(n), ctxt);
}

func _cgoexpwrap_8313eaf44386_sum(p0 _Ctype_int, p1 _Ctype_int) (r0 _Ctype_int) {
    return sum(p0, p1)
}

内部将 sum 的包装函数 _cgoexpwrap_8313eaf44386_sum 作为函数指针，然后由 _cgo_runtime_cgocallback 函数完成 C 语言到 Go 函数的回调工作。

_cgo_runtime_cgocallback 函数对应 runtime.cgocallback 函数，函数的类型如下：

func runtime.cgocallback(fn, frame unsafe.Pointer, framesize, ctxt uintptr)

参数分别是函数指针，函数参数和返回值对应结构体的指针，函数调用帧大小和上下文参数。

整个调用流程图如下：

图 2-6 调用导出的 Go 函数

其中 runtime.cgocallback 函数是实现 C 语言到 Go 语言函数跨界调用的关键。更详细的细节可以参考相关函数的实现。