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<title>Golang 程序启动流程分析 · 田飞雨</title>
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</li>
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<li class="chapter " data-level="1.1" data-path="../">
<a href="../">
<b>1.1.</b>
Introduction
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2" data-path="../kubernetes/">
<a href="../kubernetes/">
<b>1.2.</b>
kubernetes
</a>
<ul class="articles">
<li class="chapter " data-level="1.2.1" data-path="../kubernetes/kube_apiserver.html">
<a href="../kubernetes/kube_apiserver.html">
<b>1.2.1.</b>
kube-apiserver 的设计与实现
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.2" data-path="../kubernetes/apiserver_bootstrap_controller.html">
<a href="../kubernetes/apiserver_bootstrap_controller.html">
<b>1.2.2.</b>
kube-apiserver 中 apiserver service 的实现
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.3" data-path="../kubernetes/nodelifecycle_controller.html">
<a href="../kubernetes/nodelifecycle_controller.html">
<b>1.2.3.</b>
node controller 源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.4" data-path="../kubernetes/job_controller.html">
<a href="../kubernetes/job_controller.html">
<b>1.2.4.</b>
job controller 源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.5" data-path="../kubernetes/garbagecollector_controller.html">
<a href="../kubernetes/garbagecollector_controller.html">
<b>1.2.5.</b>
garbage collector controller 源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.6" data-path="../kubernetes/daemonset_controller.html">
<a href="../kubernetes/daemonset_controller.html">
<b>1.2.6.</b>
daemonset controller 源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.7" data-path="../kubernetes/statefulset_controller.html">
<a href="../kubernetes/statefulset_controller.html">
<b>1.2.7.</b>
statefulset controller 源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.8" data-path="../kubernetes/deployment_controller.html">
<a href="../kubernetes/deployment_controller.html">
<b>1.2.8.</b>
deployment controller 源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.9" data-path="../kubernetes/replicaset_controller.html">
<a href="../kubernetes/replicaset_controller.html">
<b>1.2.9.</b>
replicaset controller 源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.10" data-path="../kubernetes/kube_scheduler_process.html">
<a href="../kubernetes/kube_scheduler_process.html">
<b>1.2.10.</b>
kube-scheduler 源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.11" data-path="../kubernetes/kube_scheduler_algorithm.html">
<a href="../kubernetes/kube_scheduler_algorithm.html">
<b>1.2.11.</b>
kube-scheduler predicates 与 priorities 调度算法源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.12" data-path="../kubernetes/kube_scheduler_preempt.html">
<a href="../kubernetes/kube_scheduler_preempt.html">
<b>1.2.12.</b>
kube-scheduler 优先级与抢占机制源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.13" data-path="../kubernetes/k8s_service_theory.html">
<a href="../kubernetes/k8s_service_theory.html">
<b>1.2.13.</b>
kubernetes service 原理解析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.14" data-path="../kubernetes/kube_proxy_process.html">
<a href="../kubernetes/kube_proxy_process.html">
<b>1.2.14.</b>
kube-proxy 源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.15" data-path="../kubernetes/kube_proxy_iptables.html">
<a href="../kubernetes/kube_proxy_iptables.html">
<b>1.2.15.</b>
kube-proxy iptables 模式源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.16" data-path="../kubernetes/kube_proxy_ipvs.html">
<a href="../kubernetes/kube_proxy_ipvs.html">
<b>1.2.16.</b>
kube-proxy ipvs 模式源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.17" data-path="../kubernetes/kubelet-modules.html">
<a href="../kubernetes/kubelet-modules.html">
<b>1.2.17.</b>
kubelet 架构浅析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.18" data-path="../kubernetes/kubelet_init.html">
<a href="../kubernetes/kubelet_init.html">
<b>1.2.18.</b>
kubelet 启动流程分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.19" data-path="../kubernetes/kubelet_create_pod.html">
<a href="../kubernetes/kubelet_create_pod.html">
<b>1.2.19.</b>
kubelet 创建 pod 的流程
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.20" data-path="../kubernetes/node_status.html">
<a href="../kubernetes/node_status.html">
<b>1.2.20.</b>
kubelet 状态上报的方式
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.21" data-path="../kubernetes/k8s_events.html">
<a href="../kubernetes/k8s_events.html">
<b>1.2.21.</b>
kubelet 中事件处理机制
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.22" data-path="../kubernetes/kubelet_status_manager.html">
<a href="../kubernetes/kubelet_status_manager.html">
<b>1.2.22.</b>
kubelet statusManager 源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.23" data-path="../kubernetes/kubelet_qos.html">
<a href="../kubernetes/kubelet_qos.html">
<b>1.2.23.</b>
kubernetes 中 Qos 的设计与实现
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.24" data-path="../kubernetes/kubelet_garbage_collect.html">
<a href="../kubernetes/kubelet_garbage_collect.html">
<b>1.2.24.</b>
kubelet 中垃圾回收机制的设计与实现
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.25" data-path="../kubernetes/k8s_evicted.html">
<a href="../kubernetes/k8s_evicted.html">
<b>1.2.25.</b>
kubernetes 中 Evicted pod 是如何产生的
</a>
</li>
</ul>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.3" data-path="../knative/">
<a href="../knative/">
<b>1.3.</b>
knative
</a>
<ul class="articles">
<li class="chapter " data-level="1.3.1" data-path="../knative/deploy_with_minkube.html">
<a href="../knative/deploy_with_minkube.html">
<b>1.3.1.</b>
在 minkube 上部署 knative
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.3.2" data-path="../knative/knative_serving.html">
<a href="../knative/knative_serving.html">
<b>1.3.2.</b>
knative serving 组件分析
</a>
</li>
</ul>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.4" data-path="../cgroup/">
<a href="../cgroup/">
<b>1.4.</b>
cgroup
</a>
<ul class="articles">
<li class="chapter " data-level="1.4.1" data-path="../cgroup/blkio_cgroup.html">
<a href="../cgroup/blkio_cgroup.html">
<b>1.4.1.</b>
blkio cgroup
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.4.2" data-path="../cgroup/pid_cgroup.html">
<a href="../cgroup/pid_cgroup.html">
<b>1.4.2.</b>
pid cgroup
</a>
</li>
</ul>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.5" data-path="./">
<a href="./">
<b>1.5.</b>
go
</a>
<ul class="articles">
<li class="chapter " data-level="1.5.1" data-path="func_return_value_or_pointer.html">
<a href="func_return_value_or_pointer.html">
<b>1.5.1.</b>
golang 中函数使用值返回与指针返回的区别，底层原理分析
</a>
</li>
<li class="chapter active" data-level="1.5.2" data-path="golang_bootstrap.html">
<a href="golang_bootstrap.html">
<b>1.5.2.</b>
Golang 程序启动流程分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.5.3" data-path="golang_gpm.html">
<a href="golang_gpm.html">
<b>1.5.3.</b>
Golang GPM 模型剖析
</a>
</li>
</ul>
</li>
<li class="divider"></li>
<li>
<a href="https://www.gitbook.com" target="blank" class="gitbook-link">
本书使用 GitBook 发布
</a>
</li>
</ul>
</nav>
</div>
<div class="book-body">
<div class="body-inner">
<div class="book-header" role="navigation">
<!-- Title -->
<h1>
<i class="fa fa-circle-o-notch fa-spin"></i>
<a href=".." >Golang 程序启动流程分析</a>
</h1>
</div>
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<div class="page-inner">
<div id="book-search-results">
<div class="search-noresults">
<section class="normal markdown-section">
<ul>
<li><a href="#golang-代码被操作系统运行起来的流程">Golang 代码被操作系统运行起来的流程</a><ul>
<li><a href="#一编译">一、编译</a></li>
<li><a href="#二运行">二、运行</a></li>
</ul>
</li>
<li><a href="#golang-程序启动流程分析">Golang 程序启动流程分析</a><ul>
<li><a href="#1通过-gdb-调试分析程序启动流程">1、通过 gdb 调试分析程序启动流程</a></li>
<li><a href="#2golang-启动流程分析">2、golang 启动流程分析</a></li>
<li><a href="#查看-elf-二进制文件结构">查看 ELF 二进制文件结构</a></li>
</ul>
</li>
<li><a href="#总结">总结</a></li>
</ul>
<blockquote>
<p>本文使用 golang 1.17 代码，如有任何问题，还望指出。</p>
</blockquote>
<h3 id="golang-代码被操作系统运行起来的流程"><a name="golang-代码被操作系统运行起来的流程" class="anchor-navigation-ex-anchor" href="#golang-代码被操作系统运行起来的流程"><i class="fa fa-link" aria-hidden="true"></i></a>Golang 代码被操作系统运行起来的流程</h3>
<h4 id="一、编译"><a name="一、编译" class="anchor-navigation-ex-anchor" href="#一、编译"><i class="fa fa-link" aria-hidden="true"></i></a>一、编译</h4>
<p>go 源代码首先要通过 go build 编译为可执行文件，在 linux 平台上为 ELF 格式的可执行文件，编译阶段会经过编译器、汇编器、链接器三个过程最终生成可执行文件。</p>
<ul>
<li>1、编译器：<em>.go 源码通过 go 编译器生成为 </em>.s 的 plan9 汇编代码，Go 编译器入口是 <a href="https://github.com/golang/go/blob/master/src/cmd/compile/internal/gc/main.go" target="_blank">compile/internal/gc/main.go</a> 文件的 main 函数；</li>
<li>2、汇编器：通过 go 汇编器将编译器生成的 <em>.s 汇编语言转换为机器代码，并写出最终的目标程序 </em>.o 文件，<a href="https://github.com/golang/go/tree/master/src/cmd/internal/obj" target="_blank">src/cmd/internal/obj </a>包实现了go汇编器；</li>
<li>3、链接器：汇编器生成的一个个 *.o 目标文件通过链接处理得到最终的可执行程序，<a href="https://github.com/golang/go/tree/master/src/cmd/link/internal/ld" target="_blank">src/cmd/link/internal/ld</a> 包实现了链接器；</li>
</ul>
<p><img src="https://cdn.tianfeiyu.com/%E7%BC%96%E8%AF%91%E6%B5%81%E7%A8%8B.png" alt=""></p>
<h4 id="二、运行"><a name="二、运行" class="anchor-navigation-ex-anchor" href="#二、运行"><i class="fa fa-link" aria-hidden="true"></i></a>二、运行</h4>
<p>go 源码通过上述几个步骤生成可执行文件后，二进制文件在被操作系统加载起来运行时会经过如下几个阶段：</p>
<ul>
<li><p>1、从磁盘上把可执行程序读入内存；</p>
</li>
<li><p>2、创建进程和主线程；</p>
</li>
<li><p>3、为主线程分配栈空间；</p>
</li>
<li><p>4、把由用户在命令行输入的参数拷贝到主线程的栈；</p>
</li>
<li><p>5、把主线程放入操作系统的运行队列等待被调度执起来运行；</p>
</li>
</ul>
<h3 id="golang-程序启动流程分析"><a name="golang-程序启动流程分析" class="anchor-navigation-ex-anchor" href="#golang-程序启动流程分析"><i class="fa fa-link" aria-hidden="true"></i></a>Golang 程序启动流程分析</h3>
<h4 id="1、通过-gdb-调试分析程序启动流程"><a name="1、通过-gdb-调试分析程序启动流程" class="anchor-navigation-ex-anchor" href="#1、通过-gdb-调试分析程序启动流程"><i class="fa fa-link" aria-hidden="true"></i></a>1、通过 gdb 调试分析程序启动流程</h4>
<p>此处以一个简单的 go 程序通过单步调试来分析其启动过程的流程：</p>
<p><code>main.go</code></p>
<pre class="language-"><code>package main
import "fmt"
func main() {
fmt.Println("hello world")
}
</code></pre><p>编译该程序并使用 gdb 进行调试。使用 gdb 调试时首先在程序入口处设置一个断点，然后进行单步调试即可看到该程序启动过程中的代码执行流程。</p>
<pre class="language-"><code>$ go build -gcflags "-N -l" -o main main.go
$ gdb ./main
(gdb) info files
Symbols from "/home/gosoon/main".
Local exec file:
`/home/gosoon/main', file type elf64-x86-64.
Entry point: 0x465860
0x0000000000401000 - 0x0000000000497893 is .text
0x0000000000498000 - 0x00000000004dbb65 is .rodata
0x00000000004dbd00 - 0x00000000004dc42c is .typelink
0x00000000004dc440 - 0x00000000004dc490 is .itablink
0x00000000004dc490 - 0x00000000004dc490 is .gosymtab
0x00000000004dc4a0 - 0x0000000000534b90 is .gopclntab
0x0000000000535000 - 0x0000000000535020 is .go.buildinfo
0x0000000000535020 - 0x00000000005432e4 is .noptrdata
0x0000000000543300 - 0x000000000054aa70 is .data
0x000000000054aa80 - 0x00000000005781f0 is .bss
0x0000000000578200 - 0x000000000057d510 is .noptrbss
0x0000000000400f9c - 0x0000000000401000 is .note.go.buildid
(gdb) b *0x465860
Breakpoint 1 at 0x465860: file /home/gosoon/golang/go/src/runtime/rt0_linux_amd64.s, line 8.
(gdb) r
Starting program: /home/gaofeilei/./main
Breakpoint 1, _rt0_amd64_linux () at /home/gaofeilei/golang/go/src/runtime/rt0_linux_amd64.s:8
8 JMP _rt0_amd64(SB)
(gdb) n
_rt0_amd64 () at /home/gaofeilei/golang/go/src/runtime/asm_amd64.s:15
15 MOVQ 0(SP), DI // argc
(gdb) n
16 LEAQ 8(SP), SI // argv
(gdb) n
17 JMP runtime·rt0_go(SB)
(gdb) n
runtime.rt0_go () at /home/gaofeilei/golang/go/src/runtime/asm_amd64.s:91
91 MOVQ DI, AX // argc
......
231 CALL runtime·mstart(SB)
(gdb) n
hello world
[Inferior 1 (process 39563) exited normally]
</code></pre><p>通过单步调试可以看到程序入口函数在 <code>runtime/rt0_linux_amd64.s</code> 文件中的第 8 行，最终会执行 <code>CALL runtime·mstart(SB)</code> 指令后输出 “hello world” 然后程序就退出了。</p>
<p>启动流程流程中的函数调用如下所示：</p>
<pre class="language-"><code>rt0_linux_amd64.s -->_rt0_amd64 --> rt0_go-->runtime·settls -->runtime·check-->runtime·args-->runtime·osinit-->runtime·schedinit-->runtime·newproc-->runtime·mstart
</code></pre><h4 id="2、golang-启动流程分析"><a name="2、golang-启动流程分析" class="anchor-navigation-ex-anchor" href="#2、golang-启动流程分析"><i class="fa fa-link" aria-hidden="true"></i></a>2、golang 启动流程分析</h4>
<p>上节通过gdb调试已经看到了 golang 程序在启动过程中会执行一系列的汇编指令，本节会具体分析启动程序过程中每条指令的含义，了解了这些才能明白 golang 程序在启动过程中所执行的操作。</p>
<p><code>src/runtime/rt0_linux_amd64.s</code></p>
<pre class="language-"><code>#include "textflag.h"
TEXT _rt0_amd64_linux(SB),NOSPLIT,$-8
JMP _rt0_amd64(SB)
TEXT _rt0_amd64_linux_lib(SB),NOSPLIT,$0
JMP _rt0_amd64_lib(SB)
</code></pre><p>首先执行的第8行即 <code>JMP _rt0_amd64</code>，此处在 amd64 平台下运行，<code>_rt0_amd64</code> 函数所在的文件为 <code>src/runtime/asm_amd64.s</code>。</p>
<pre class="language-"><code>TEXT _rt0_amd64(SB),NOSPLIT,$-8
// 处理 argc 和 argv 参数，argc 是指命令行输入参数的个数，argv 存储了所有的命令行参数
MOVQ 0(SP), DI // argc
// argv 为指针类型
LEAQ 8(SP), SI // argv
JMP runtime·rt0_go(SB)
</code></pre><p><code>_rt0_amd64</code> 函数中将 argc 和 argv 两个参数保存到 DI 和 SI 寄存器后跳转到了 <code>rt0_go</code> 函数，<code>rt0_go</code> 函数的主要作用：</p>
<ul>
<li>1、将 argc、argv 参数拷贝到主线程栈上；</li>
<li>2、初始化全局变量 g0，为 g0 在主线程栈上分配大约 64K 栈空间，并设置 g0 的stackguard0，stackguard1，stack 三个字段；</li>
<li>3、执行 CPUID 指令，探测 CPU 信息；</li>
<li>4、执行 nocpuinfo 代码块判断是否需要初始化 cgo；</li>
<li>5、执行 needtls 代码块，初始化 tls 和 m0；</li>
<li>6、执行 ok 代码块，首先将 m0 和 g0 绑定，然后调用 <code>runtime·args</code> 函数处理进程参数和环境变量，调用 <code>runtime·osinit</code> 函数初始化 cpu 数量，调用 <code>runtime·schedinit</code> 初始化调度器，调用 <code>runtime·newproc</code> 创建第一个 goroutine 执行 main 函数，调用 <code>runtime·mstart</code> 启动主线程，主线程会执行第一个 goroutine 来运行 main 函数，此处会阻塞住直到进程退出；</li>
</ul>
<pre class="language-"><code>TEXT runtime·rt0_go(SB),NOSPLIT|TOPFRAME,$0
// 处理命令行参数的代码
MOVQ DI, AX // AX = argc
MOVQ SI, BX // BX = argv
// 将栈扩大39字节，此处为什么扩大39字节暂时还没有搞清楚
SUBQ $(4*8+7), SP
ANDQ $~15, SP // 调整为 16 字节对齐
MOVQ AX, 16(SP) //argc放在SP + 16字节处
MOVQ BX, 24(SP) //argv放在SP + 24字节处
// 开始初始化 g0，runtime·g0 是一个全局变量，变量在 src/runtime/proc.go 中定义，全局变量会保存在进程内存空间的数据区，下文会介绍查看 elf 二进制文件中的代码数据和全局变量的方法
// g0 的栈是从进程栈内存区进行分配的，g0 占用了大约 64k 大小。
MOVQ $runtime·g0(SB), DI // g0 的地址放入 DI 寄存器
LEAQ (-64*1024+104)(SP), BX // BX = SP - 64*1024 + 104
// 开始初始化 g0 对象的 stackguard0,stackguard1,stack 这三个字段
MOVQ BX, g_stackguard0(DI) // g0.stackguard0 = SP - 64*1024 + 104
MOVQ BX, g_stackguard1(DI) // g0.stackguard1 = SP - 64*1024 + 104
MOVQ BX, (g_stack+stack_lo)(DI) // g0.stack.lo = SP - 64*1024 + 104
MOVQ SP, (g_stack+stack_hi)(DI) // g0.stack.hi = SP
</code></pre><p>执行完以上指令后，进程内存空间布局如下所示：</p>
<p><img src="https://cdn.tianfeiyu.com/golang%E8%BF%9B%E7%A8%8B%E5%9C%B0%E5%9D%80%E7%A9%BA%E9%97%B4.png" alt=""></p>
<p>然后开始执行获取 cpu 信息的指令以及与 cgo 初始化相关的，此段代码暂时可以不用关注。</p>
<pre class="language-"><code> // 执行CPUID指令，尝试获取CPU信息，探测 CPU 和 指令集的代码
MOVL $0, AX
CPUID
MOVL AX, SI
CMPL AX, $0
JE nocpuinfo
// Figure out how to serialize RDTSC.
// On Intel processors LFENCE is enough. AMD requires MFENCE.
// Don't know about the rest, so let's do MFENCE.
CMPL BX, $0x756E6547 // "Genu"
JNE notintel
CMPL DX, $0x49656E69 // "ineI"
JNE notintel
CMPL CX, $0x6C65746E // "ntel"
JNE notintel
MOVB $1, runtime·isIntel(SB)
MOVB $1, runtime·lfenceBeforeRdtsc(SB)
notintel:
// Load EAX=1 cpuid flags
MOVL $1, AX