如何用 Go 实现 JIT Compiler

发表于 3年以前  | 总阅读数:466 次

JIT(Just-In-Time[2]) Compiler 是指在运行期,实时生成机器码的程序。机器码 (machine code) 是 cpu 识别的机器指令

一般我们都是 Go 代码翻译成汇编,然后转换成 cpu 可识别的机器码。相比于其它代码 (fmt.Printf), Jit Compiler 是在运行期生成,而不是编译期 (即我们常用的 go build)

Go 是静态类型,编译完后生成二进制可执行文件。看起来不可能生成任意代码,更不用说去执行这些代码。然而,向运行中的程序注入指令是可行的,这就是所谓的 Type Magic, 类型魔法,可以将任意类型转换成其它类型

生成 x64 机器码

机器码是一串字节数据,对于 cpu 有特殊的意义(识别后执行)。本文用来测试的是 x86 处理器,因此,采用 x64 instruction set[3] 指令集,平台相关,所以你在非 x86 上肯定无法运行

本文测试 Jit 让我们用 x86 指令,打印 Hello World!

write(int fd, const void *buf, size_t count)

众所周知,write 是系统调用,fd 是输出的文件描述符,标准输出是 1, 第二个参数是 Hello World! 字符串指针,第三个参数 count 是要打印的字符数 12

同时我们知道,系统调用是 Syscall 指令,rax 告诉 linux 要执行的具体系统调用函数编号[4],write 是 1, 在 C 语言中函数的参数由 6 个寄存器传递,由于 write 只有三个参数,所以第一个参数 rdi 是 1 (文件描述符),第二个参数 rsi 是字符串地址,但是暂时无法确定值,稍后咱们再看。第三个参数 rdx 是字符串长度 12

0:  48 c7 c0 01 00 00 00  mov rax,0x1 
7:  48 c7 c7 01 00 00 00  mov rdi,0x1
e:  48 c7 c2 0c 00 00 00  mov rdx,0xc

放在一起,上面就是对应的机器码,右面是汇编代码 (网上有很多,根据汇编指令生成机器码的,大家不用过于考究,知道意思就行)。那么现在唯一的问题在于,如何确定字符串指针的地址

这个地址一定是运行时有效的,否则就会发生 segmentfault 错误。这个例子中,我们可以把 Hello world! 字符串放到可执行的命令 return 的后面。这是安全的,因为 cpu 执行完就返回了,不会走到后面

由于在返回指令下达之前不知道返回后的地址,所以可以使用一个临时的位置占位符 placeholder, 一旦知道了数据的地址,就用正确的地址来代替。这就是链接器所遵循的确切程序。链接的过程只是将这些地址填入正确的数据或函数(稍微了解 gcc 编译原理的会很清楚,这里面说不知道返回后地址,是不知道 lea 与最后的 ret 中间还有多少指令,所以无法确定相对地址)

15: 48 8d 35 00 00 00 00 lea rsi,[rip+0x0] # 0x15
1c: 0f 05                syscall
1e: c3                   ret

上面的代码中,lea 指令是用来取字符串 Hello World! 地址的,但是这里是当前的位置 (我们知道 rip 寄存器代表当前执行代码的地址,0x0 是偏移量)。为什么指向自己呢?因为字符串还没有保存呢,不知道具体位置。其中 0F 05Syscall 对应的机器码

1f: 48 65 6c 6c 6f 20 57 6f 72 6c 64 21   // Hello World!

我们现在把字符串放到 ret 指令后面,那么此时字符串的相对地址就确定了

0:  48 c7 c0 01 00 00 00 mov rax,0x1
7:  48 c7 c7 01 00 00 00 mov rdi,0x1
e:  48 c7 c2 0c 00 00 00 mov rdx,0xc
15: 48 8d 35 03 00 00 00 lea rsi,[rip+0x3]# 0x1f
1c: 0f 05                syscall
1e: c3                   ret
1f: 48 65 6c 6c 6f 20 57 6f 72 6c 64 21   // Hello World! 

然后为了可读性我们用 golang int16 slice 保存上面的机器码

printFunction := []uint16{
0x48c7, 0xc001, 0x0, // mov %rax,$0x1
0x48, 0xc7c7, 0x100, 0x0, // mov %rdi,$0x1
0x48c7, 0xc20c, 0x0, // mov 0x13, %rdx
0x48, 0x8d35, 0x400, 0x0,// lea 0x4(%rip), %rsi
0xf05,// syscall
0xc3cc,// ret
0x4865, 0x6c6c, 0x6f20,// Hello_(whitespace)
0x576f, 0x726c, 0x6421, 0xa,// World!
} 

切片保存的和上面机器码有些偏差,是为了对齐,更好看一些 (ret 机器码是 c3, 后面多了一个 cc, 这是一个 no-op 指令**)。所以 lea 取地址即为 rip+0x4**

将 slice 转换成函数

切片中的指令,必须转换成函数才能调用,下面的 go 代码展示了如何转换

type printFunc func()
unsafePrintFunc := (uintptr)(unsafe.Pointer(&printFunction)) 
printer := *(*printFunc)(unsafe.Pointer(&unsafePrintFunc)) 
printer()

Go 函数值只是一个指向 C 函数指针的指针(注意两级指针。从切片到函数的转换,首先要提取一个指向存放可执行代码的数据结构的指针(这里就是 slice 的指针)。该指针被存储在 unsafePrintFunc 中。指向 unsafePrintFunc 的指针可以被转换成所需要的函数类型

这种方法只适用于没有参数或返回值的函数。在调用有参数或返回值的函数时,需要提前创建一个栈空(go 是 stack-based 函数调用规约,以后会改成 register-bassed, 感兴趣的网上搜一下

让函数执行

上述函数实际上不会运行。这是因为 Go 将所有的数据存储在二进制文件的 data 段。这一部分的数据被设置了 No-Execute 标志,防止它被执行(这不只是 Go, 所有都是这样)

printFunction 片段中的数据需要存储在一块可执行的内存中。这可以通过移除 printFunction 片断上的 No-Execute 标志或将其复制到可执行的内存位置来实现

在下面的代码中,数据被复制到一个新分配的可执行的内存中(使用 mmap)。这种方法比较好,因为只有在整个页面上才能设置不执行标志--很容易无意中使数据部分的其他部分成为可执行的,变得很不安全 (mmap 就安全嘛?表示怀疑)

 executablePrintFunc, err := syscall.Mmap(
  -1,
  0,
  128,
  syscall.PROT_READ|syscall.PROT_WRITE|syscall.PROT_EXEC,
  syscall.MAP_PRIVATE|syscall.MAP_ANONYMOUS)
 if err != nil {
  fmt.Printf("mmap err: %v", err)
 }
j := 0
 for i := range printFunction {
  executablePrintFunc[j] = byte(printFunction[i] >> 8)
  executablePrintFunc[j+1] = byte(printFunction[i])
  j = j + 2
 }

上面代码用 Mmap 创建了一块匿名的可执行私有内存区域,然后把 printFunction 代码按照机器码顺序复制到该区域。重点是 syscall.PROT_EXEC 标记

package main

import (
 "fmt"
 "syscall"
 "unsafe"
)

type printFunc func()

func main() {
 printFunction := []uint16{
  0x48c7, 0xc001, 0x0, // mov %rax,$0x1
  0x48, 0xc7c7, 0x100, 0x0, // mov %rdi,$0x1
  0x48c7, 0xc20c, 0x0, // mov 0x13, %rdx
  0x48, 0x8d35, 0x400, 0x0, // lea 0x4(%rip), %rsi
  0xf05,                  // syscall
  0xc3cc,                 // ret
  0x4865, 0x6c6c, 0x6f20, // Hello_(whitespace)
  0x576f, 0x726c, 0x6421, 0xa, // World!
 }
 executablePrintFunc, err := syscall.Mmap(
  -1,
  0,
  128,
  syscall.PROT_READ|syscall.PROT_WRITE|syscall.PROT_EXEC,
  syscall.MAP_PRIVATE|syscall.MAP_ANONYMOUS)
 if err != nil {
  fmt.Printf("mmap err: %v", err)
 }

 j := 0
 for i := range printFunction {
  executablePrintFunc[j] = byte(printFunction[i] >> 8)
  executablePrintFunc[j+1] = byte(printFunction[i])
  j = j + 2
 }

 type printFunc func()

 unsafePrintFunc := (uintptr)(unsafe.Pointer(&executablePrintFunc))
 printer := *(*printFunc)(unsafe.Pointer(&unsafePrintFunc))
 printer()
}

上面就是最终可执行的代码,copy 时要考滤 little 小端对齐,执行后打印 Hello World!

~# strace ./jit
execve("./jit", ["./jit"], 0x7ffe27f7ef70 /* 17 vars */) = 0
arch_prctl(ARCH_SET_FS, 0x54e5d0)       = 0
sched_getaffinity(0, 8192, [0, 1])      = 8

......

readlinkat(AT_FDCWD, "/proc/self/exe", "/root/jit", 128) = 9
fcntl(0, F_GETFL)                       = 0x2 (flags O_RDWR)
futex(0xc000036950, FUTEX_WAKE_PRIVATE, 1) = 1
fcntl(1, F_GETFL)                       = 0x2 (flags O_RDWR)
fcntl(2, F_GETFL)                       = 0x2 (flags O_RDWR)
mmap(NULL, 128, PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f5eabb00000
write(1, "Hello World!", 12Hello World!)            = 12
exit_group(0)                           = ?
+++ exited with 0 +++

strace 可以看到完整系统调用,先是 mmap 然后打印字符串到标准输出

小结

今天的分享就这些,祝大家玩的开心!!JIT 是一个非常庞大的 topic, 还是蛮有意思的。

参考资料

[1]Go 语言中文网: https://studygolang.com/articles/12730,

[2]Just-In-Time: https://en.wikipedia.org/wiki/Just-in-time_compilation,

[3]x86 instruction set: https://software.intel.com/content/www/us/en/develop/articles/introduction-to-x64-assembly.html,

[4]系统调用函数编号: https://filippo.io/linux-syscall-table/https://filippo.io/linux-syscall-table/,

本文由哈喽比特于3年以前收录,如有侵权请联系我们。
文章来源:https://mp.weixin.qq.com/s/ubxfUg9qAqlBmi-Yw0H-fw

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