Go 結(jié)構體函數(shù)調(diào)用底層實現(xiàn)
《Go 語言嵌入和多態(tài)機制對比》一文中我們了解了 Go 語言的類型系統(tǒng)。下面，我們就來了解一下 Go 語言是如何實現(xiàn)類型系統(tǒng)特性，我們將會深入到 Go 語言運行時和最終機器碼層面對 Go 語言的結(jié)構體、函數(shù)調(diào)用進行了解。
上文已經(jīng)提及，Go 語言結(jié)構體并非 Java 和 C++ 語言中 class 的概念，下面我們來了解一下結(jié)構體變量聲明和相關函數(shù)調(diào)用在機器碼或匯編層面的體現(xiàn)。我們以下面代碼為案例進行分析。
- func (u User) addAgeVal(a int32) int32 {
- n := u.Age + a
- return n
- }
- func (u *User) addAgePtr(a int32) int32 {
- n := u.Age + a
- return n
- }
- func main() {
- u := User{ID: 1, Name: "Tom", Age: 23}
- s1 := u.addAgeVal(1)
- s2 := u.addAgePtr(2)
- println(s1 == s2)
- }
將上述代碼使用如下命令編譯成機器碼，其中 GOOS 指定目標操作系統(tǒng)，GOARCH 指定 CPU 架構，-S 表示打印機器碼，-N 是禁止編譯器優(yōu)化，-l 是禁止內(nèi)聯(lián)，本機 Go 版本為 go1.16.4。
- GOOS=linux GOARCH=amd64 go tool compile -S -N -l main.go
變量聲明和初始化
我們首先來看 main 函數(shù)中 u 變量的聲明和初始化過程。匯編代碼較大，下面只截取部分內(nèi)容展示，具體如下所示。
由上可見，結(jié)構體真的就是基礎類型變量的集合，并沒有額外其他信息的加載，對于類型為 User 的 u 變量的聲明并初始化語句，首先將對應的棧內(nèi)空間清零，然后依次處理三個初始化參數(shù)值，并加載到對應的棧空間位置，完成初始化過程。
其中 ID 和 Age 由于是基礎類型，所以較為簡單，而 Name 字段涉及到 string 類型，稍有區(qū)別，String類型的運行時表達，具體如下所示。
- type** StringHeader struct {
- Data uintptr
- Len int
- }
由此可見上述匯編中首先將 Tom 字面量地址加載到棧內(nèi)空間，Tom 字面量則存儲在內(nèi)存數(shù)據(jù)段中，給 Data 變量賦值，然后將字面量的長度 3 加載到對應位置，給 Len 變量賦值，具體如下圖所示。
SP 代表棧頂指針，而 "".u +64(SP) 代表相對于棧頂偏移 64 字節(jié)的位置，u 則是引用地址的別名，也正是變量 u 的名稱。如圖所示，在棧空間中，并不存在結(jié)構體 User，而是由基礎類型數(shù)值和指針等組成的一段空間，這段空間就代表著結(jié)構體 User。
從棧頂向棧底方向依次為占 8 字節(jié)的代表 User.ID 的常量值1，占據(jù) 16 字節(jié)的代表 User.Name 的字符串 Tom 值地址和占據(jù) 8 字節(jié)的代表 User.Age 的常量 23，其中字符串 Tom 又由 8 字節(jié)的 Data 指針和 8 字節(jié)的 Len 組成。
上述代碼中變量 u 未發(fā)生逃逸，所以分配在棧中，如果將變量聲明成指針類型并且符合逃逸規(guī)則，該結(jié)構體就會分配在堆上。
- func makeUser() *User {
- u := &User{ID: 1, Name: "Tom", Age: 23}
- return u
- }
上述指針變量聲明和初始化過程的匯編如下所示。
可以看出匯編代碼會首先將 Cat 結(jié)構體的類型指針加載到棧頂，作為參數(shù);然后調(diào)用 newObject 函數(shù)來在堆上按照 Cat 結(jié)構體類型分配對應的空間，并返回空間的起始地址;最后使用該起始地址設置結(jié)構體的變量。
分配在堆上的結(jié)構體示意圖在上一個圖的右側(cè)顯示。我們可以看到，當結(jié)構體分配在棧上時，其內(nèi)部成員變量會依次排列，占據(jù)各自固定的空間;而結(jié)構體分配在堆上時，其在棧上只會存在一個指向堆地址的指針，該指針指向結(jié)構體在堆上的起始位置。
值接收器函數(shù)
下面我們來看一下結(jié)構體作為函數(shù)接收器如何進行函數(shù)調(diào)用，包括如何如何傳遞參數(shù)和返回值，如何進行值接收器和指針接收器轉(zhuǎn)換等。上述例子中涉及函數(shù)調(diào)用的片段如下所示：
Go 的調(diào)用規(guī)約要求函數(shù)參數(shù)和返回值都通過棧來傳遞，這部分空間由調(diào)用方在其棧幀(stack frame)上提供。
- 函數(shù)接收器是隱式的第一個函數(shù)參數(shù)，所以上述代碼片段的第一步就是講變量 u 拷貝到對應的棧空間上，這也正對應了值接收器的拷貝機制;
- 然后第二步則是聲明 int32 類型的值為 1 的參數(shù) a 并分配到指定位置;
- 接著是使用 CALL 指令調(diào)用 User 的 addAgeVal 函數(shù)，CALL 指令會將函數(shù)的返回值地址推到棧頂，也就是會存儲棧的 +40(SP) 位置上;
- 而最后會將其值加載到 +60(SP) 上，也就是將函數(shù)返回值賦值給變量 s1。
下面，我們來看一下被調(diào)用函數(shù) addAgeVal 函數(shù)的相關機器碼表達。
addAgeVal 函數(shù)大致分為四個步驟：
- 使用 SUBQ 指令將 SP 減少 16，代表棧增長 16 字節(jié)，因為棧幀是向低位增長，其中 8 個字節(jié)用于存儲當前的棧幀指針，并使用 LEAQ 計算出新的棧幀指針存到BP中;
- 初始化函數(shù)返回值，因為是其類型是 int32，所以將其設置為對應的零值，棧空間地址是 +64(SP);
- 從 +48(SP) 位置加載函數(shù)接收器 User 的變量 Age 到 AX 寄存器，然后將其和函數(shù)參數(shù) a 累加，其位置為 +56(SP)
- 將二者的和賦值給變量 n，并且將二者的和保存到返回值所在棧空間，也就是 +64(SP);
- 從 8(SP) 中取出舊棧幀指針，并且將棧幀縮小 16 字節(jié)，并調(diào)用 RET 指令返回。
綜上，main 函數(shù)調(diào)用 User 的 addAgeVal 函數(shù)的過程如下圖所示。
如上圖所示，我們看到在 main 函數(shù)執(zhí)行 call 指令前，為調(diào)用函數(shù) addAgeVal 的參數(shù)和返回值準備好了空間，然后將函數(shù)接收器 u 和對應的參數(shù) a 按照順序拷貝到該空間上，然后預留 +40(SP) 的位置給函數(shù)調(diào)用的返回值。
也正是因為值接收器和函數(shù)參數(shù)發(fā)生拷貝，所以函數(shù)內(nèi)對其修改不會影響原值。
調(diào)用 call 指令時，會將指令返回地址壓入棧首，然后再執(zhí)行 addAgeVal 函數(shù)的指令，將棧頂增長 16 字節(jié)，從而導致函數(shù)接收器、參數(shù)和返回值的相對于SP的地址發(fā)生變化，增加了 16 字節(jié)，所以大家會發(fā)現(xiàn) addAgeVal 函數(shù)中指令操作的相對地址發(fā)生了變化。
指針接收器函數(shù)
下面，我們來看調(diào)用指針接收器函數(shù) addAgePtr 相關的具體指令，體會它與值接收器函數(shù)的區(qū)別。
可以看到調(diào)用 addAgePtr 時不會對接收器 u 進行拷貝，而只是將 u 的起始棧地址加載到棧頂，這其實就相當于傳遞了指向 u 的指針。然后是設置參數(shù) a 的值，最后使用 CALL 指令調(diào)用 addAgePtr 函數(shù)。
而 addAgePtr 函數(shù)的指令和 addAgeVal 類似，唯一不同的是要使用指針來獲取接收器 u 的 Age 變量的值，具體如下所示。
從對應的棧空間取到接收器 u 的指針，也就是其起始地址，從起始地址偏移 24 字節(jié)就是接收器 u 的 Age 變量位置。整個流程如下圖所示。
如上圖所示，可以看到指針接收器的函數(shù)調(diào)用時，只需要將其地址作為默認參數(shù)進行傳遞，所以在函數(shù)內(nèi)的對接收器的修改，都是直接修改在原值上。
此外，調(diào)用 addAgePtr 的場景是在值變量上調(diào)用指針接收器函數(shù)，我們看到編譯器將值的地址取出作為接收器參數(shù)進行傳遞，而如果是指針變量調(diào)用值接收器函數(shù)的話，則會先對指針進行取地址，然后再將指針指向的值數(shù)據(jù)進行拷貝。
綜上，我們了解了 Go 語言中結(jié)構器和結(jié)構體函數(shù)在機器層級方面的底層實現(xiàn)，后續(xù)文章我們再繼續(xù)了解 Go 語言相關特性的底層實現(xiàn)。
