Go 语言，如何做逆向类型推导?

文｜朱德江（GitHub ID：doujiang24)

MOSN 项目核心开发者蚂蚁集团技术专家

专注于云原生网关研发的相关工作。

本文 224 字阅读 8 分钟

PART. 1

引言

在上回的文章《Go 内存泄漏，pprof 够用了么？》中说到，从一个 core 文件生成内存引用关系火焰图时，虽然可以从 core 文件中读到所有的内存对象，但是并不知道它们的类型信息。

这是因为 Go 作为静态类型语言，在运行时，内存对象的类型是已知的。也就是说，并不需要想动态类型语言那样，为每个内存对象在内存中存储其类型信息 （有点例外的是 interface） 。

比如这个 Go 语言例子：

type Foo struct {    a uint64    b int64}
func foo(f *Foo) int64 {    return f.b}

Foo 函数在使用 f 这个指针时，并不需要判断其类型，直接读一个带偏移量地址就能得到 f.b，也就是一条指令：mov rax, qword ptr [rax + 8]，就是这么简单直接。

再看 Lua 语言这个例子：

function foo(f)    return f.bendfoo({ b = 1 })

Foo 函数在执行的时候，首先得判断 f 的类型，如果是 table，则按照 key 取 b 的值；如果不是，则抛运行时 error。

能够运行时判断 f 的类型，是因为 Lua 中变量是用 TValue 来表示的，这个 TValue 结构中，就有一个信息用来存储变量类型。

PART. 2

逆向类型推导

逆向类型推导的逻辑是：根据已知内存的类型信息，推导被引用的内存对象的类型信息。

比如这个例子：

type Foo struct {    a uint64    b int64}type Bar struct {    f *Foo}var b Bar

如果我们知道了 b 的类型是 Bar，那么 b 中第一个 field 指向的内存对象，就是 Foo 类型了 （前提是合法的内存对象地址） 。

既然存在推导，那我们怎么知道一些初始值呢？

一共有两类来源：

1.全局变量；

2.协程中每一帧函数的局部变量。

PART. 3

全局变量

Go 在编译的时候，默认会生成一些调试信息，按照 DWARF 标准格式，放在 ELF 文件中 .debug_* 这样的段里。

这些调试信息中，我们关注两类关键信息：

类型信息： 包括了源码中定义的类型，比如某个 struct 的名字、大小、以及各个 field 类型信息；
全局变量： 包括变量名、地址、类型，调试信息中的、全局变量的地址、以及其类型信息，也就是构成推导的初始值。

函数局部变量，要复杂一些，不过基本原理是类似的，这里就不细说了~

PART. 4

推导过程

推导过程，跟 GC-Mark 的过程类似，甚至初始值也跟 GC-Root 一样。

所以，全部推导完毕之后，GC-Mark 认为是 alive 的内存对象，其类型信息都会被推导出来。

interface

Go 语言中 interface 比较类似动态类型，如下是空接口的内存结构，每个对象都存储了其类型信息：

type eface struct {    _type *_type    data  unsafe.Pointer}

按照类型推导，我们能知道一个对象是 interface{}，但是其中 Data 指向对象，是什么类型，我们则需要读取 _type 中的信息了。

_type 中有两个信息，对我们比较有用：

1.名字

不过比较坑的是，只存了 pkg.Name 并没有存完整的 Include Path 这个也合理的，毕竟 Go 运行时并不需要那么精确，也就是异常时，输出错误信息中用一下。不过在类型推导的时候，就容易踩坑了。

2.指针信息

具体存储形式有点绕，不过也就是表示这个对象中，有哪些偏移量是指针。

有了这两个信息之后，就可以从全量的类型中，筛选出符合上面两个信息的类型。

通常情况下，会选出一个正确的答案，不过有时候选出多个，仅仅根据这两个信息还不能区分出来，一旦一步错了，后面可能就全推导不出来了。

我们给 Go 官方 Debug 贡献了一个补丁，可以进一步的筛选，有兴趣的可以看 CL 419176[1]。

unsafe.pointer

其实，在上面的 interface 示例中，最根源的原因，也就是 data unsafe.pointer，这个指针并没有类型信息，只是 interface 的实现中，有另外的字段来存储类型信息。

不过，在 Go Runtime 中还有其它的 unsafe.pointer，就没有那么幸运了。

比如 map 和 sync.map 的实现都有 unsafe.pointer，这种就没有办法像 interface 那样统一来处理了，只能 case-by-case，根据 map/sync.map 的结构特征来逆向写死了…

我们给 Go 官方 Debug 贡献了 sync.map 的逆向实现，有兴趣的可以看 CL 419177[2]。

PART. 5

隐藏类型

除了源码中显示定义的类型，还有一些隐藏的类型，比如：Method Value、Closure 的实现中，也都是用 struct 来表示的，这些属于不太容易被关注到的“隐藏”类型。

Method Value 在逆向推导中，还是比较容易踩坑的，我们给 Go 官方 Debug 贡献了这块的实现，有兴趣的可以看 CL 419179[3]。

相比 Method Value 这种固定结构的，Closure 这种会更难搞一些，不过幸运的是，我们目前的使用过程中，还没有踩坑的经历。

PART. 6

逆向推导风险

这种逆向推导要做到 100% 完备还是挺难的，根本原因还是 unsafe.pointer。

在 reflect.Value 中也有 unsafe.pointer，据我所知，这个是还没有逆向推导实现的，类似的应该也还有其它未知的。

甚至，如果是标准库中的类型，我们还是可以一个个按需加上，如果是上层应用代码用到的 unsafe.pointer，那就很难搞了。

还有一种可能，推导不出来的原因，就是内存泄漏的来源，我们就碰到这样一个例子，以后有机会再分享~

幸运的是：如果是只是少量的对象没有推导出来，对于全局内存泄漏分析这种场景，通常影响其实也不大。

另外，对于一个对象，只需要有一个路径可以推导出来也就够了。

也就是说，如果一条推导线索因为 unsafe.pointer 断了，如果另外有一个线索可以推导到这个对象，那也是不影响的。因为从 GC root 到一个 GC obj 的引用关系链，可能会不止一条。

PART. 7

小结

Go 虽然是静态类型语言，不过由于提供了 unsafe.pointer，给逆向类型推导带来了很大的麻烦。好在 Go 对于 unsafe.pointer 的使用还是比较克制，把标准库中常用到的 unsafe.pointer 搞定了，基本也够用了。

理论上来说，逆向推导这一套也适用于 C 语言，只不过 C 语言这种指针漫天飞的，动不动就来个强制类型转换，就很难搞了。

[2]CL 419177： https://go-review.googlesource.com/c/debug/+/419177

[3]CL 419179： https://go-review.googlesource.com/c/debug/+/419179

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