Go 函数是构建 Go 程序的基本模块，我们每天都在使用它们，但你是否想过 Go 函数在编译和运行时是如何工作的呢？本文将深入探讨 Go 函数的内部机制，从符号表到栈帧，揭示 Go 函数运行的奥秘。

函数的命名和符号表

在 Go 中，每个函数都有一个唯一的名称，这是因为 Go 编译器会创建一个符号表来记录所有变量和函数的名称。当我们在代码中定义一个函数时，它的名称会被添加到符号表中。如果两个函数拥有相同的名称，就会导致冲突，因为符号表中只能存在一个相同名称的条目。

func a() {

}

func a(b string) {

}

//a redeclared in this block is the error I get

那么，如何查看 Go 程序的符号表呢？

我们可以使用 go tool nm 命令来查看 Go 可执行文件的符号表。例如，假设我们有一个名为 main 的 Go 程序，我们可以使用以下命令生成符号表：

go tool nm ./main &> logs.txt

这会将符号表信息输出到 logs.txt 文件中。符号表中每个条目包含三个部分：地址、类型和名称。

100343920 T main.getURL
1003439b0 T main.main
100343f30 T main.main.func1
100343fd0 T main.main.func1.Println.1
100343d80 T main.main.func2

符号类型说明：

  • T: Text (code) segment symbol (通常是函数)。
  • B: Uninitialized data segment symbol (通常是全局变量)。
  • D: Initialized data segment symbol。
  • R: Read-only data segment symbol。
  • U: Undefined symbol。
  • V: Weak symbol。

从符号表中我们可以看到，全局变量和函数存储在编译后的二进制文件的数据段中，而函数的实际代码则存储在文本段中，文本段包含程序的可执行代码。

当一个函数被调用时，指令指针会跳转到文本段中函数代码的位置。

导出与非导出标识符

在 Go 中，标识符（变量或函数）的名称如果以大写字母开头，则可以被其他包访问，称为导出标识符；如果以小写字母开头，则只能在定义它的包内访问，称为非导出标识符。

例如，以下代码中，Apple 函数可以被其他包访问，而 apple 函数只能在当前包中访问。

func Apple() {
    fmt.Println("id")
}

func apple() {
    fmt.Println("id")
}

Go 编译器会根据标识符的名称来决定它是否可以被导出。

局部作用域与全局作用域

除了导出与非导出标识符之外，我们还需要了解 Go 中的局部变量和全局变量。

全局变量在函数之外定义，可以在整个程序范围内访问。局部变量则在函数内部定义，只能在函数内部访问。

var globalVar int = 10

func myFunc() {
    localVar := 20
    // ...
}

在上面的代码中，globalVar 是一个全局变量，可以在任何地方访问；而 localVar 是一个局部变量，只能在 myFunc 函数内部访问。

函数调用和栈帧

当一个函数被调用时，Go 运行时会创建一个栈帧来存储函数的局部变量、参数和返回值。栈帧是一个内存区域，用于存储函数执行期间所需的所有信息。

栈帧的结构：

  1. 函数参数： 传递给函数的参数会被存储在栈帧中。
  2. 局部变量： 在函数内部声明的局部变量也会被存储在栈帧中。
  3. 返回值： 函数执行完毕后，返回值也会被存储在栈帧中。
  4. 返回地址： 函数执行完毕后，需要返回到调用它的位置，这个位置的地址被存储在栈帧中。

栈帧的创建和销毁：

  • 当一个函数被调用时，会创建一个新的栈帧。
  • 当函数执行完毕时，栈帧会被销毁。

栈帧的管理：

  • 栈帧的创建和销毁由 Go 运行时自动管理。
  • 栈帧的内存分配和释放遵循后进先出 (LIFO) 的原则。

例如，以下代码展示了函数调用和栈帧的创建过程：

func main() {
    tempFunc := func(count int) int {
        return count + 1
    }
    tempVal := tempFunc(0)
    fmt.Println(tempVal)
}

当 main 函数调用 tempFunc 函数时，会创建一个新的栈帧来存储 tempFunc 函数的局部变量、参数和返回值。

局部变量的内存管理：

局部变量在函数执行期间存储在栈帧中。当函数执行完毕时，栈帧会被销毁，局部变量也会随之消失。

总结

Go 函数的内部机制涉及到符号表、栈帧、局部变量和全局变量等概念。理解这些概念对于深入理解 Go 程序的运行机制至关重要。通过本文的介绍，相信你对 Go 函数的工作原理有了更深入的了解。

拓展

  • Go 编译器会对函数进行优化，例如内联优化，将一些简单的函数直接嵌入到调用它的代码中，以提高程序的执行效率。
  • Go 运行时会对栈帧进行管理，以确保程序的正确运行。
  • 除了函数之外，Go 还支持闭包，闭包可以访问其外部函数的局部变量。

希望这篇文章能帮助你更好地理解 Go 函数的内部机制。