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。

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。

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

gdb test

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

(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。

(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

(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。