【Go】main程序启动过程

go run main.go 一个 Go 程序就启动了。然而这背后 *** 作系统如何执行到 Go 代码的，Go 为了运行用户 main 函数，又做了什么？

一 编译 go build main.go

我们写的 go 代码都是编译成可执行文件去机器上直接执行的，在 linux 平台上是 ELF 格式的可执行文件，linux 能直接执行这个文件。

编译器：将 go 代码生成 .s 汇编代码，go 中使用的是 plan9 汇编汇编起：将汇编代码转成机器代码，即目标程序 .o 文件链接器：将多个 .o 文件合并链接得到最终可执行文件

0(写代码)--go程序--> 1(编译器)--汇编代码--> 2(汇编器)--.o目标程序-->3(链接器)--可执行文件-->4(结束)" />

二 *** 作系统加载 ./main

经上述几个步骤生成可执行文件后，二进制文件在被 *** 作系统加载起来运行时会经过如下几个阶段：

从磁盘上把可执行程序读入内存；

创建进程和主线程；

为主线程分配栈空间；

把由用户在命令行输入的参数拷贝到主线程的栈；

把主线程放入 *** 作系统的运行队列等待被调度执起来运行；

START_THREAD(elf_ex, regs, elf_entry, bprm->p) 启动线程传入了 elf_entry 参数，这是程序的入口地址。

这个 elf_entry 被写在 elf 可执行文件的 header 中

$ readelf -h main
ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  Class:                             ELF64
  Data:                              2's complement, little endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V
  ABI Version:                       0
  Type:                              EXEC (Executable file)
  Machine:                           Advanced Micro Devices X86-64
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x45d430
  Start of program headers:          64 (bytes into file)
  Start of section headers:          456 (bytes into file)
  Flags:                             0x0
  Size of this header:               64 (bytes)
  Size of program headers:           56 (bytes)
  Number of program headers:         7
  Size of section headers:           64 (bytes)
  Number of section headers:         25
  Section header string table index: 3

并且通过反编译 可执行文件，可以看到这个地址对应的就是 _rt0_amd64_linux。

$ objdump ./main -D > tmp
$ grep tmp '45d430'
000000000045d430 <_rt0_amd64_linux>:
  45d430:	e9 2b c4 ff ff       	jmpq   459860 <_rt0_amd64>

从此进入了 Go 程序的启动过程

Go 程序启动

Go 程序启动位置, 把栈上的入口参数存到寄存器中，接下来跳转到 rt0_go 启动函数

TEXT _rt0_amd64(SB),NOSPLIT,$-8
	MOVQ	0(SP), DI	// argc
	LEAQ	8(SP), SI	// argv
	JMP	runtime·rt0_go(SB)

rt0_go 代码比较长，可分为两个部分，第一部分是系统参数获取和运行时检查。第二部分是 go 程序启动的核心，这里只详细介绍第二部分，总体启动流程如下

graph TB
	subgraph runtime.main
	16 --> 17
	17(新建sysmon监视线程) --> 18(执行所有runtime init方法) --> 19(启动 gc 收集器) --> 20(执行所有用户包依赖的init方法)--> 21(执行main.main)
	end
	subgraph mstart
	15(初始化M,开始调度) --> 16(调度获取到newproc创建的G, 入口方法:runtime.main)
	end
	subgraph newproc
	13(创建新的协程,入口地址 runtime.main) -->14(放到P的队列中,等待调度)
	end
	subgraph schedinit
	8(栈的初始化)-->9(堆内存分配的初始化)-->10(当前G系统线程初始化)-->11(垃圾回收器参数初始化)-->12(通过cpu核心数和gomaxprocs创建P)
	end
	subgraph go runtime 核心
	5(schedinit:调度器初始化) --> 6(newproc:创建新的 goroutine) --> 7(mstart:开始调度)
	7 --> 15
	6 --> 13
	5 --> 8
	end
	subgraph rt0_go
	0(入口参数复制) --> 1(tls 线程本地存储初始化,关联当前线程,m0与g0)--> 2(check:运行时类型检查) --> 3(args:argc,argv,内存物理页系统参数的获取) --> 4(osinit:cpu核心获取)
	4 --> 5
	end
	

go runtime 核心：

schedinit：进行各种运行时组件初始化工作，这包括我们的调度器与内存分配器、回收器的初始化newproc：负责根据主 goroutine（即 main）入口地址创建可被运行时调度的执行单元，这里的main还不是用户的main函数，是 runtime.mainmstart：开始启动调度器的调度循环, 执行队列中 入口方法是 runtime.main 的 G

TEXT runtime·rt0_go(SB),NOSPLIT,$0
	(...)
	// 调度器初始化
	CALL	runtime·schedinit(SB)

	// 创建一个新的 goroutine 来启动程序
	MOVQ	$runtime·mainPC(SB), AX
	PUSHQ	AX
	PUSHQ	$0			// 参数大小
	CALL	runtime·newproc(SB)
	POPQ	AX
	POPQ	AX

	// 启动这个 M，mstart 应该永不返回
	CALL	runtime·mstart(SB)
	(...)
	RET

shedinit包括了所有核心组件的初始化工作

// src/runtime/proc.go
func schedinit() {
	_g_ := getg()
	(...)

	// 栈、内存分配器、调度器相关初始化
	sched.maxmcount = 10000	// 限制最大系统线程数量
	stackinit()			// 初始化执行栈
	mallocinit()		// 初始化内存分配器
	mcommoninit(_g_.m)	// 初始化当前系统线程
	(...)

	gcinit()	// 垃圾回收器初始化
	(...)

	// 创建 P
	// 通过 CPU 核心数和 GOMAXPROCS 环境变量确定 P 的数量
	procs := ncpu
	if n, ok := atoi32(gogetenv("GOMAXPROCS")); ok && n > 0 {
		procs = n
	}
	procresize(procs)
	(...)
}

执行 runtime.main, 主要进行了

启动系统后台监控sysmon 线程执行 runtime 包内 init启动gc用户包依赖 init 的执行执行用户main.mian 方法

// The main goroutine.
func main() {
    g := getg()

    ...
    // 执行栈最大限制：1GB（64位系统）或者 250MB（32位系统）
    if sys.PtrSize == 8 {
        maxstacksize = 1000000000
    } else {
        maxstacksize = 250000000
    }
    ...

    // 启动系统后台监控（定期垃圾回收、抢占调度等等）
    systemstack(func() {
        newm(sysmon, nil)
    })

    ...
    // 让goroute独占当前线程， 
    // runtime.lockOSThread的用法详见http://xiaorui.cc/archives/5320
    lockOSThread()

    ...
    // runtime包内部的init函数执行
    runtime_init() // must be before defer

    // Defer unlock so that runtime.Goexit during init does the unlock too.
    needUnlock := true
    defer func() {
        if needUnlock {
                unlockOSThread()
        }
    }()
    // 启动GC
    gcenable()

    ...
    // 用户包的init执行
    main_init()
    ...

    needUnlock = false
    unlockOSThread()

    ...
    // 执行用户的main主函数
    main_main()
    
    ...
    // 退出
    exit(0)
    for {
        var x *int32
        *x = 0
    }
}

总结

启动一个 Go 程序时，首先要经过 *** 作系统的加载，通过可执行文件中 Entry point address 记录的地址，找到 go 程序启动入口: _rt0_amd64 -> rt0_go。rt0_go 中 先进行了 go 程序的 runtime 的初始化，其中包括:调度器，栈，堆内存空间初始化，垃圾回收器的初始化，最后最后通过newproc和mstart调度执行runtime.main,完成一系列初始化过程，再然后才是执行用户的主函数。

附加：

参考 www.bookstack.cn/read/qcrao-…eddycjy.com/posts/go/go…loulan.me/post/golang…juejin.cn/post/694250…