9.2 cgo关键技术

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2023-12-01

上一节我们看了一些预备知识，解答了前面的一点疑惑。这一节我们将接着从宏观上分析cgo实现中使用到的一些关键技术。而对于其中一些细节部分将留到下一节具体分析。

整个cgo的实现依赖于几个部分，依赖于cgo命令生成桩文件，依赖于6c和6g对Go这一端的代码进行编译，依赖gcc对C那一端编译成动态链接库，同时，还依赖于运行时库实现Go和C互操作的一些支持。

cgo命令会生成一些桩文件，这些桩文件是给6c和6g命令使用的，它们是Go和C调用之间的桥梁。原始的C文件会使用gcc编译成动态链接库的形式使用。

cgo命令

gc编译器在编译源文件时，如果识别出go源文件中的

import "C"

字段，就会先调用cgo命令。cgo提取出相应的C函数接口部分，生成桩文件。比如我们写一个go文件test.go，内容如下：

package main

/*
#include "stdio.h"

void test(int n) {
  char dummy[10240];

  printf("in c test func iterator %d\n", n);
  if(n <= 0) {
    return;
  }
  dummy[n] = '\a';
  test(n-1);
}
#cgo CFLAGS: -g
*/
import "C"

func main() {
	C.test(C.int(2))
}

对它执行cgo命令：

go tool cgo test.go

在当前目录下会生成一个_obj的文件夹，文件夹里会包含下列文件：

.
├── _cgo_.o
├── _cgo_defun.c
├── _cgo_export.c
├── _cgo_export.h
├── _cgo_flags
├── _cgo_gotypes.go
├── _cgo_main.c
├── test.cgo1.go
└── test.cgo2.c

桩文件

cgo生成了很多文件，其中大多数作用都是包装现有的函数，或者进行声明。比如在test.cgo2.c中，它生成了一个函数来包装test函数：

void
_cgo_1b9ecf7f7656_Cfunc_test(void *v)
{
	struct {
		int p0;
		char __pad4[4];
	} __attribute__((__packed__)) *a = v;
	test(a->p0);
}

在_cgo_defun.c中是封装另一个函数来调用它：

void
·_Cfunc_test(struct{uint8 x[8];}p)
{
	runtime·cgocall(_cgo_1b9ecf7f7656_Cfunc_test, &p);
}

test.cgo1.go文件中包含一个main函数，它调用封装后的函数：

func main() {
	_Cfunc_test(_Ctype_int(2))
}

cgo做这些封装原因来自两方面，一方面是Go运行时调用cgo代码时要做特殊处理，比如runtime.cgocall。另一方面是由于Go和C使用的命名空间不一样，需要加一层转换，像·_Cfunc_test中的·字符是Go使用的命令空间区分，而在C这边使用的是_cgo_1b9ecf7f7656_Cfunc_test。

cgo会识别任意的C.xxx关键字，使用gcc来找到xxx的定义。C中的算术类型会被转换为精确大小的Go的算术类型。C的结构体会被转换为Go结构体，对其中每个域进行转换。无法表示的域将会用byte数组代替。C的union会被转换成一个结构体，这个结构体中包含第一个union成员，然后可能还会有一些填充。C的数组被转换成Go的数组，C指针转换为Go指针。C的函数指针会被转换为Go中的uinptr。C中的void指针转换为Go的unsafe.Pointer。所有出现的C.xxx类型会被转换为_C_xxx。

如果xxx是数据，那么cgo会让C.xxx引用那个C变量（先做上面的转换）。为此，cgo必须引入一个Go变量指向C变量，链接器会生成初始化指针的代码。例如，gmp库中：

mpz_t zero;

cgo会引入一个变量引用C.zero：

var _C_zero *C.mpz_t

然后将所有引用C.zero的实例替换为(*_C_zero)。

cgo转换中最重要的部分是函数。如果xxx是一个C函数，那么cgo会重写C.xxx为一个新的函数_C_xxx，这个函数会在一个标准pthread中调用C的xxx。这个新的函数还负责进行参数转换，转换输入参数，调用xxx，然后转换返回值。

参数转换和返回值转换与前面的规则是一致的，除了数组。数组在C中是隐式地转换为指针的，而在Go中要显式地将数组转换为指针。

处理垃圾回收是个大问题。如果是Go中引用了C的指针，不再使用时进行释放，这个很容易。麻烦的是C中使用了Go的指针，但是Go的垃圾回收并不知道，这样就会很麻烦。

运行时库部分

运行时库会对cgo调用做一些处理，就像前面说过的，执行C函数之前会运行runtime.entersyscall，而C函数执行完返回后会调用runtime.exitsyscall。让cgo的运行仿佛是在另一个pthread中执行的，然后函数执行完毕后将返回值转换成Go的值。

比较难处理的情况是，在cgo调用的C函数中，发生了C回调Go函数的情况，这时处理起来会比较复杂。因为此时是没有Go运行环境的，所以必须再进行一次特殊处理，回到Go的goroutine中调用相应的Go函数代码，完成之后继续回到C的运行环境。看上去有点复杂，但是cgo对于在C中调用Go函数也是支持的。

从宏观上来讲cgo的关键技术就是这些，由cgo命令生成一些桩代码，负责C类型和Go类型之间的转换，命名空间处理以及特殊的调用方式处理。而运行时库部分则负责处理好C的运行环境，类似于给C代码一个非分段的栈空间并让它脱离与调度系统的交互。