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面试官:来说一说Go语言的函数调用惯例

asong
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原文链接:面试官:来说一说Go语言的函数调用惯例

前言

哈喽,大家好,我是asong。好久没有更新了,最近因工作需要忙着写pythonGo语言我都有些生疏了,但是我不能放弃Go语言,该学习还是要学习的,今天与大家聊一聊Go语言的函数调用惯例,调用惯例是调用方和被调用方对于参数和返回值传递的约定,Go语言的调用惯例在1.17版本进行了优化,本文我们就看一下两个版本的调用惯例是什么样的吧~。

1.17版本前栈传递

Go1.17版本之前,Go语言函数调用是通过栈来传递的,我们使用Go1.12版本写个例子来看一下:

package main

func Test(a, b int) (int, int) {
    return a + b, a - b
}

func main() {
    Test(10, 20)
}

执行go tool compile -S -N -l main.go可以看到其汇编指令,我们分两部分来看,先看main函数部分:

"".main STEXT size=68 args=0x0 locals=0x28
        0x0000 00000 (main.go:7)        TEXT    "".main(SB), ABIInternal, $40-0
        0x0000 00000 (main.go:7)        MOVQ    (TLS), CX
        0x0009 00009 (main.go:7)        CMPQ    SP, 16(CX)
        0x000d 00013 (main.go:7)        JLS     61
        0x000f 00015 (main.go:7)        SUBQ    $40, SP // 分配40字节栈空间
        0x0013 00019 (main.go:7)        MOVQ    BP, 32(SP) // 基址指针存储到栈上
        0x0018 00024 (main.go:7)        LEAQ    32(SP), BP
        0x001d 00029 (main.go:7)        FUNCDATA        $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        0x001d 00029 (main.go:7)        FUNCDATA        $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        0x001d 00029 (main.go:7)        FUNCDATA        $3, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        0x001d 00029 (main.go:8)        PCDATA  $2, $0
        0x001d 00029 (main.go:8)        PCDATA  $0, $0
        0x001d 00029 (main.go:8)        MOVQ    $10, (SP) // 第一个参数压栈
        0x0025 00037 (main.go:8)        MOVQ    $20, 8(SP) // 第二个参数压栈
        0x002e 00046 (main.go:8)        CALL    "".Test(SB) // 调用函数Test 
        0x0033 00051 (main.go:9)        MOVQ    32(SP), BP // Test函数返回后恢复栈基址指针
        0x0038 00056 (main.go:9)        ADDQ    $40, SP // 销毁40字节栈内存
        0x003c 00060 (main.go:9)        RET // 返回
        0x003d 00061 (main.go:9)        NOP
        0x003d 00061 (main.go:7)        PCDATA  $0, $-1
        0x003d 00061 (main.go:7)        PCDATA  $2, $-1
        0x003d 00061 (main.go:7)        CALL    runtime.morestack_noctxt(SB)
        0x0042 00066 (main.go:7)        JMP     0
        0x0000 65 48 8b 0c 25 00 00 00 00 48 3b 61 10 76 2e 48  eH..%....H;a.v.H
        0x0010 83 ec 28 48 89 6c 24 20 48 8d 6c 24 20 48 c7 04  ..(H.l$ H.l$ H..
        0x0020 24 0a 00 00 00 48 c7 44 24 08 14 00 00 00 e8 00  $....H.D$.......
        0x0030 00 00 00 48 8b 6c 24 20 48 83 c4 28 c3 e8 00 00  ...H.l$ H..(....
        0x0040 00 00 eb bc                                      ....
        rel 5+4 t=16 TLS+0
        rel 47+4 t=8 "".Test+0
        rel 62+4 t=8 runtime.morestack_noctxt+0

通过上面的汇编指令我们可以分析出,参数1020按照从右向左进行压栈,所以第一个参数在栈顶的位置SP~SP+8,第二个参数存储在SP+8 ~ SP+16,参数准备完毕后就去调用TEST函数,对应的汇编指令:CALL "".Test(SB),对应的汇编指令如下:

"".Test STEXT nosplit size=49 args=0x20 locals=0x0
        0x0000 00000 (main.go:3)        TEXT    "".Test(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $0-32
        0x0000 00000 (main.go:3)        FUNCDATA        $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        0x0000 00000 (main.go:3)        FUNCDATA        $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        0x0000 00000 (main.go:3)        FUNCDATA        $3, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        0x0000 00000 (main.go:3)        PCDATA  $2, $0
        0x0000 00000 (main.go:3)        PCDATA  $0, $0
        0x0000 00000 (main.go:3)        MOVQ    $0, "".~r2+24(SP)// SP+16 ~ SP+24 存储第一个返回值
        0x0009 00009 (main.go:3)        MOVQ    $0, "".~r3+32(SP)
// SP+24 ~ SP+32 存储第二个返回值
        0x0012 00018 (main.go:4)        MOVQ    "".a+8(SP), AX // 第一个参数放入AX寄存器 AX = 10
        0x0017 00023 (main.go:4)        ADDQ    "".b+16(SP), AX // 第二个参数放入AX寄存器做加法 AX = AX + 20 = 30
        0x001c 00028 (main.go:4)        MOVQ    AX, "".~r2+24(SP)
// AX寄存器中的值在存回栈中:24(SP)
        0x0021 00033 (main.go:4)        MOVQ    "".a+8(SP), AX
// 第一个参数放入AX寄存器 AX = 10
        0x0026 00038 (main.go:4)        SUBQ    "".b+16(SP), AX
// 第二个参数放入AX寄存器做减法 AX = AX - 20 = -10
        0x002b 00043 (main.go:4)        MOVQ    AX, "".~r3+32(SP)
// AX寄存器中的值在存回栈中:32(SP)
        0x0030 00048 (main.go:4)        RET // 函数返回

通过以上的汇编指令我们可以得出结论:Go语言使用栈传递参数和接收返回值,多个返回值也是通过多分配一些内存来完成的。

这种基于栈传递参数和接收返回值的设计大大降低了实现的复杂度,但是牺牲了函数调用的性能,像C语言采用同时使用栈和寄存器传递参数,在性能上是优于Go语言的,下面我们就来看一看Go1.17引入的寄存器传参。

为什么寄存器传参性能优于栈传参

我们都知道CPU是一台计算机的运算核心和控制核心,其主要功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据,CPU的大致内部结构如下:

图片来自于网络

主要由运算器和控制器组成,运算器负责完成算术运算和逻辑运算,寄存器临时保存将要被运算器处理的数据和处理后的结果,回到主题上,寄存器是CPU内部组件,而存储一般在外部,CPU操作寄存器与读取内存的速度差距是数量级别的,当要进行数据计算时,如果数据处于内存中,CPU需要先将数据从内存拷贝到寄存器进行计算,所以对于栈传递参数与接收返回值这种调用规约,每次计算都需要从内存拷贝到寄存器,计算完毕在拷贝回内存,如果使用寄存器传参的话,参数就已经按顺序放在特定寄存器了,这样就减少了内存和寄存器之间的数据拷贝,从而改善了性能,提供程序运行效率。

既然寄存器传参性能高于栈传递参数,为什么所有语言不都使用寄存器传递参数呢?因为不同架构上的寄存器差异不同,所以要支持寄存器传参就要在编译器上进行支持,这要就使编译器变得更加复杂且不易维护,并且寄存器的数量也是有限的,还要考虑超过寄存器数量的参数应该如何传递。

1.17基于寄存器传递

Go语言在1.17版本设计了一套基于寄存器传参的调用规约,目前也只支持x86平台,我们也是通过一个简单的例子看一下:

func Test(a, b, c, d int) (int,int,int,int) {
    return a, b, c, d
}

func main()  {
    Test(1, 2, 3 ,4)
}

执行go tool compile -S -N -l main.go可以看到其汇编指令,我们分两部分来看,先看main函数部分:

"".main STEXT size=62 args=0x0 locals=0x28 funcid=0x0
        0x0000 00000 (main.go:7)        TEXT    "".main(SB), ABIInternal, $40-0
        0x0000 00000 (main.go:7)        CMPQ    SP, 16(R14)
        0x0004 00004 (main.go:7)        PCDATA  $0, $-2
        0x0004 00004 (main.go:7)        JLS     55
        0x0006 00006 (main.go:7)        PCDATA  $0, $-1
        0x0006 00006 (main.go:7)        SUBQ    $40, SP// 分配40字节栈空间,基址指针存储到栈上
        0x000a 00010 (main.go:7)        MOVQ    BP, 32(SP)// 基址指针存储到栈上
        0x000f 00015 (main.go:7)        LEAQ    32(SP), BP
        0x0014 00020 (main.go:7)        FUNCDATA        $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        0x0014 00020 (main.go:7)        FUNCDATA        $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        0x0014 00020 (main.go:8)        MOVL    $1, AX // 参数1使用AX寄存器传递
        0x0019 00025 (main.go:8)        MOVL    $2, BX // 参数2使用BX寄存器传递
        0x001e 00030 (main.go:8)        MOVL    $3, CX // 参数3使用CX寄存器传递
        0x0023 00035 (main.go:8)        MOVL    $4, DI // 参数4使用DI寄存器传递
        0x0028 00040 (main.go:8)        PCDATA  $1, $0
        0x0028 00040 (main.go:8)        CALL    "".Test(SB) // 调用Test函数
        0x002d 00045 (main.go:9)        MOVQ    32(SP), BP // Test函数返回后恢复栈基址指针
        0x0032 00050 (main.go:9)        ADDQ    $40, SP // 销毁40字节栈内存
        0x0036 00054 (main.go:9)        RET // 返回

通过上面的汇编指令我们可以分析出,现在参数已经不是从右向左进行压栈了,参数直接在寄存器上了,参数准备完毕后就去调用TEST函数,对应的汇编指令:CALL "".Test(SB),对应的汇编指令如下:

"".Test STEXT nosplit size=133 args=0x20 locals=0x28 funcid=0x0
        0x0000 00000 (main.go:3)        TEXT    "".Test(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $40-32
        0x0000 00000 (main.go:3)        SUBQ    $40, SP
        0x0004 00004 (main.go:3)        MOVQ    BP, 32(SP)
        0x0009 00009 (main.go:3)        LEAQ    32(SP), BP
        0x000e 00014 (main.go:3)        FUNCDATA        $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        0x000e 00014 (main.go:3)        FUNCDATA        $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        0x000e 00014 (main.go:3)        FUNCDATA        $5, "".Test.arginfo1(SB)
0x000e 00014 (main.go:3)        MOVQ    AX, "".a+48(SP) // 从寄存器AX获取参数 1 放入栈中 48(SP)
0x0013 00019 (main.go:3)        MOVQ    BX, "".b+56(SP) // 从寄存器BX获取参数 2 放入栈中 56(SP)
0x0018 00024 (main.go:3)        MOVQ    CX, "".c+64(SP) // 从寄存器CX获取参数 3 放入栈中 64(SP)
0x001d 00029 (main.go:3)        MOVQ    DI, "".d+72(SP) // 从寄存器DI获取参数 4 放入栈中 72(SP)
        0x0022 00034 (main.go:3)        MOVQ    $0, "".~r4+24(SP)
        0x002b 00043 (main.go:3)        MOVQ    $0, "".~r5+16(SP)
        0x0034 00052 (main.go:3)        MOVQ    $0, "".~r6+8(SP)
        0x003d 00061 (main.go:3)        MOVQ    $0, "".~r7(SP)
        0x0045 00069 (main.go:4)        MOVQ    "".a+48(SP), DX // 以下操作是返回值放到寄存器中返回
        0x004a 00074 (main.go:4)        MOVQ    DX, "".~r4+24(SP)
        0x004f 00079 (main.go:4)        MOVQ    "".b+56(SP), DX
        0x0054 00084 (main.go:4)        MOVQ    DX, "".~r5+16(SP)
        0x0059 00089 (main.go:4)        MOVQ    "".c+64(SP), DX
        0x005e 00094 (main.go:4)        MOVQ    DX, "".~r6+8(SP)
        0x0063 00099 (main.go:4)        MOVQ    "".d+72(SP), DI
        0x0068 00104 (main.go:4)        MOVQ    DI, "".~r7(SP)
        0x006c 00108 (main.go:4)        MOVQ    "".~r4+24(SP), AX
        0x0071 00113 (main.go:4)        MOVQ    "".~r5+16(SP), BX
        0x0076 00118 (main.go:4)        MOVQ    "".~r6+8(SP), CX
        0x007b 00123 (main.go:4)        MOVQ    32(SP), BP
        0x0080 00128 (main.go:4)        ADDQ    $40, SP
        0x0084 00132 (main.go:4)        RET

传参和返回都采用了寄存器进行传递,并且返回值和输入都使用了完全相同的寄存器序列,并且使用的顺序也是一致的。

因为这个优化,在一些函数调用嵌套层次较深的场景下,内存有一定概率会降低,有机会做压测可以试一试~。

总结

熟练掌握并理解函数的调用过程是我们深入学习Go语言的重要一课,看完本文希望你已经熟练掌握了函数的调用惯例~。

好啦,本文到这里就结束了,我是asong,我们下期见。

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