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Golang在ARM/Linux平台上函数参数的传递

2019-07-12 19:36发布

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一．前言     作为一名初级的嵌入式软件开发从业者，工作中大部分项目以C语言实现。使用C语言来编写代码，通常我们可以预测到编译生成的汇编/机器编码的大致情况，在不同的芯片架构上，有其相应的ABI标准。而近年来逐渐流行起来的Go语言编程，虽然同样语法上和C语言语法都有较为简单的特点，也都是编译型的静态语言，但我们对它在基本类型——函数参数的传递方式就了解很少了。另外，Go语言的函数可以有多个返回值，其底层机制是如何实现的，也需要分析探究一下。     本文将记录Golang官方编译器生成的可执行文件在ARM/Linux平台上函数传递的分析过程。测试使用的设备是一部安卓手机，在其中安装了Bash、Git、Vim、GDB等开源软件（安装过程请参考https://pan.baidu.com/s/1i5o6Lwh中的《安装记录.docx》），并在C4DROID中找到了可在安卓中执行的GCC编译器，这样就可以在手机上编译Golang编译器了，其版本为1.4.3。之所以选择该版本的Golang编译器，是因为后续版本的Golang编译器的编译可能会依赖现有的Golang编译器，这就会产生一个鸡生蛋、蛋生鸡的问题了。使用TELNET登入手机后，可以查看到，现在已经可以正常工作了：
二．获取当前的栈指针     我们知道Go语言的函数定义的关键字为func，其返回值可以为空，或者有多个返回值，于是我们猜测它是以栈来传递参数和返回值的，当然事实确实也是如此，那么在分析函数在调用瞬间、函数返回瞬间，其参数和返回值在栈空间上如何分配这个问题之前，我们需要获取当前函数执行的栈指针。但与C语言不同，Go语言并不支持内联汇编，那我们就需要使用其它的方法。     这个方法也比较直接，使用汇编来实现，参照Golang代码库的一些汇编格式，我们创建了一个nonsafe包，提供了一个Fetchsp()函数:
    当这个函数被引用，生成的可执行文件中该汇编生成的指令为：
    可以看到，我们将栈指针存放在了栈指针的4字节偏移处，这样的就隐含了我们已知函数返回值的方法，后面我们会对其进一步验证。另外，RET伪指令被编译为add pc, lr, #0,可见Golang 1.4.3版本的ARM汇编器仍不完善。 三．简单函数的参数传递和返回值     有了当前函数的栈指针后，我们就可以直接把函数在调用前后的栈上面的数据使用fmt包中的类printf函数输出查看了。相应的代码为：
    直接编译并执行，可以得到结果：
    虽然如此，我们不能确定Fetchsp()返回的栈针是正确的，这就需要对生成的可执行文件进一步查看，得到在调用Fetchsp()之前的指令地址：
    上图中高亮的部分是我们感兴趣的地方。使用gdb调试，让它在调用Fetchsp()之前停下来：
    这样，我们就可以确定，Fetchsp函数在Golang 1.4.3版本的正确性了。通过对执行结果的仔细分析，可以得出其下结论：     函数在传递参数时，在当前函数栈指针4字节偏移处开始传参，[sp + 0x4]为函数第一个参数（0x7e0 = 2016）,[sp + 0x8]为函数第二个参数（0x7d9 = 2009）；当函数返回时，返回参数存放在最后一个参数之后的位置，即[sp+ 0xc]（0x3ee = 2016 * 2009 / (2016 + 2009) = 1006）。 四．interface{}作为函数参数的传递     Go语言中的函数也支持多个、不确定的参数传递，在《Programming In Go》一书的5.2.2.2一节中提到了类型检测，修改过后的函数如下：
    可以看到，函数classifier()除了第一个参数类型是确定的之外，其他参数都是类型和个数不确定的。在C语言中，也有类似的函数，如printf(const char *, …)等。但是我们知道，诸如printf()之类的函数，可变参数部分基本上都是压入栈的，而且没有类型信息，其类型是根据格式化字符串来推测的。而Go语言则支持类型检测，其实现的机制是怎样的呢？     通过对生成的可执行文件分析，可以确定在调用classifier()函数之前，入栈了四个参数或者说，入栈了四个值：
    除了第一个指针函数外，那么可以说只有三个值用于interface{}的多个参数传递了。于是我们猜测这三个值类似于一个结构体，包含了所有的可变参数的类型信息和其相应的值。经过测试，我们使用下面的代码将其输出：
    这一段代码比较难看，并不是因为写的很复杂，而是因为使用了很多的“强制类型转换”。在Go语言中，指针不参与数学运算，只好将其转化为uintptr类型，再转化为指针并对其解引用。先来看一下执行的结果：
    从上图可以看到，上面解构造的解析可变参数的功能可以得到可变参数的信息，与类型检测得到的参数值很相近，这就说明了上面的解析是正确的。那么，可变参数列表的信息结构是怎样的呢？     可以确认，一个可变参数列表在栈上传递会有三个值，其中后两个值很可能是相同的，表示为可变参数的个数（在例子中我们传入了6个可变参数），而第一个值指向了一段栈空间，其中会有两倍于可变参数的数据，每两个为一组，其中第一个值为一个指针或标识，用于确定该参数的类型；第二个值为该参数的指针，同样的，该指针指向栈空间，此处存放了该参数的值。其中有一个例外是nil，它的类型和指针都是0。为了进一步确认这一点，可以查看最后一个参数,float32(2016)，使用MATLAB可以验证其十六进制的表示为0x44fc0000:
五．总结     了解Golang语言编译出的可执行文件的函数传参机制，可能对学习Go语言的帮助并不大。另外，这些函数传参的机制在GCCGO编译生成的可执行文件中并不存在。尽管如此，了解一些Golang底层的实现细节，仍然是十分有趣的，也可以略微满足一下我们对Golang的"ABI"探究的心理。

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