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このコミットは、Go言語のリンカであるcmd/5l（ARMアーキテクチャ向けリンカ）に、関数エントリー時にスタックフレームをゼロクリアする-Zオプションのサポートを追加するものです。これにより、ガベージコレクション（GC）における偽陽性（false positive）の発生を抑制し、デバッグやメモリ解析の精度を向上させることを目的としています。

コミット

• コミットハッシュ: d5d4ee47ed3e76ec707a44095d5da11415b0a8bf
• 作者: Shenghou Ma minux.ma@gmail.com
• コミット日時: 2013年1月11日 金曜日 12:24:28 +0800

GitHub上でのコミットページへのリンク

https://github.com/golang/go/commit/d5d4ee47ed3e76ec707a44095d5da11415b0a8bf

元コミット内容

cmd/5l: support -Z (zero stack frame at function entry)
also added appropriate docs to cmd/ld/doc.go
(largely copied from Russ's CL 6938073).

R=rsc
CC=golang-dev
https://golang.org/cl/7004049

変更の背景

Go言語のようなガベージコレクタを持つ言語では、メモリの自動管理が行われます。しかし、ガベージコレクタが誤って使用中のメモリを解放したり、逆に解放済みのメモリをまだ参照していると判断したりする「偽陽性（false positive）」の問題が発生することがあります。特に、スタック上に残された古い値がポインタのように見える場合、GCがそれを有効な参照と誤認し、実際には到達不能なオブジェクトを保持し続けてしまうことがあります。

このコミットの背景には、このようなGCの偽陽性を減らすという目的があります。関数が呼び出された際に、そのスタックフレーム（関数が使用するローカル変数や引数などが格納されるメモリ領域）を初期化（ゼロクリア）することで、以前の関数の実行によって残された「ゴミ」のような値がポインタとして誤認される可能性を低減します。これにより、GCの精度が向上し、メモリリークのような問題の特定が容易になる可能性があります。ただし、スタックフレームのゼロクリアは追加の処理を伴うため、関数呼び出しのパフォーマンスに影響を与えるというトレードオフがあります。

前提知識の解説

Go言語のリンカ (cmd/5l, cmd/ld)

Go言語のツールチェインにおいて、リンカはコンパイルされたオブジェクトファイルを結合し、実行可能なバイナリを生成する役割を担います。

• cmd/ld: Go言語の汎用リンカです。様々なアーキテクチャに対応しています。
• cmd/5l: ARMアーキテクチャ（Go言語ではGOARCH=armに対応）に特化したリンカです。5はARMアーキテクチャの古い名称であるARMv5に由来します。

リンカは、プログラムの実行に必要なすべてのコードとデータを配置し、シンボル解決（関数や変数のアドレスを決定すること）を行います。また、スタックフレームの管理や、特定の最適化、プロローグ/エピローグコードの挿入などもリンカの仕事の一部です。

スタックフレーム

関数が呼び出されるたびに、その関数専用のメモリ領域がスタック上に確保されます。これを「スタックフレーム」と呼びます。スタックフレームには、以下のような情報が格納されます。

• 関数の引数
• ローカル変数
• 呼び出し元の関数のリターンアドレス
• レジスタの退避領域

関数が終了すると、そのスタックフレームは解放され、スタックポインタが元の位置に戻ります。しかし、解放されたスタックフレームのメモリ領域には、以前の関数の実行によって書き込まれたデータがそのまま残っていることがあります。

ガベージコレクション (GC)

ガベージコレクションは、プログラムが動的に確保したメモリのうち、もはや使用されていない（どの変数からも参照されていない）領域を自動的に特定し、解放する仕組みです。これにより、プログラマは手動でのメモリ管理から解放され、メモリリークなどのバグを減らすことができます。

Go言語のGCは、主に「マーク＆スイープ」方式を採用しています。

1. マークフェーズ: GCは、プログラムのルート（グローバル変数、実行中の関数のスタック上の変数など）から到達可能なすべてのオブジェクトを「使用中」としてマークします。
2. スイープフェーズ: マークされなかった（到達不能な）オブジェクトは「ゴミ」と判断され、メモリが解放されます。

GCにおける「偽陽性 (false positive)」

GCにおける偽陽性とは、実際にはもはや使用されていないメモリ領域（オブジェクト）を、GCが誤って「使用中」であると判断し、解放せずに残してしまう現象を指します。これは、特にスタック上に残された古いデータが原因で発生することがあります。

例えば、ある関数が終了し、そのスタックフレームが解放されたとします。しかし、そのスタックフレームのメモリ領域には、以前の関数の実行時に書き込まれたデータがそのまま残っています。もし、その残されたデータが偶然にも有効なメモリアドレス（ポインタ）のように見える値であった場合、GCはそれを有効な参照と誤認し、そのポインタが指し示す先のオブジェクトを「使用中」であるとマークしてしまいます。結果として、実際にはどの変数からも参照されていないオブジェクトが解放されずに残り、メモリ使用量が増加したり、メモリリークのように見えたりすることがあります。

このコミットで導入される-Zオプションは、関数エントリー時にスタックフレームをゼロクリアすることで、このような「偶然のポインタ」の発生を防ぎ、GCの偽陽性を抑制することを目的としています。

技術的詳細

このコミットは、Go言語のARMリンカであるcmd/5lに-Zオプションを追加し、関数が呼び出された際にそのスタックフレームをゼロクリアする機能を提供します。

通常、関数が呼び出されると、そのスタックフレームは確保されますが、その内容は初期化されません。つまり、以前の関数の実行によって残されたデータがそのまま残っています。これがGCの偽陽性の原因となる可能性があります。

-Zオプションが有効な場合、リンカは各関数のプロローグ（関数エントリー時の初期処理）に、スタックフレームをゼロで埋めるための追加の命令を挿入します。具体的には、スタックフレームの開始アドレスから終了アドレスまでを、0で上書きするループ処理が追加されます。

この処理は、以下のステップで行われます。

1. スタックフレームの開始アドレスと終了アドレスを計算します。
2. ループを使って、開始アドレスから終了アドレスまで、4バイト（またはレジスタのサイズ）ずつ0を書き込んでいきます。

このゼロクリア処理は、関数呼び出しごとに実行されるため、パフォーマンスオーバーヘッドが発生します。特に、スタックフレームが大きい関数や、頻繁に呼び出される関数では、その影響が顕著になる可能性があります。そのため、このオプションはデバッグや特定のメモリ問題の診断など、GCの偽陽性が問題となる場合に限定して使用されることが想定されています。

コミットメッセージにもあるように、「これは高価だが、ガベージコレクション中の偽陽性に悩まされている場合に役立つかもしれない」と明記されており、パフォーマンスとGC精度のトレードオフが強調されています。また、「他の関数呼び出しによって引き起こされる偽陽性のみを排除し、現在の関数呼び出しに格納されたデッドな一時変数によって引き起こされる偽陽性は排除しない」という注意書きも重要です。これは、関数内で宣言されたローカル変数が、その変数が不要になった後もスタック上に残ることで発生する偽陽性には対処できないことを意味します。-Zオプションは、あくまで「以前の関数呼び出しの残骸」による偽陽性に対処するものです。

コアとなるコードの変更箇所

このコミットでは、主に以下の4つのファイルが変更されています。

1. src/cmd/5l/l.h:

   • dozerostk(void); 関数のプロトタイプ宣言が追加されています。これは、スタックフレームをゼロクリアする処理を行う関数です。

2. src/cmd/5l/obj.c:

   • main 関数内で、-Zオプションが指定された場合に dozerostk() 関数を呼び出すロジックが追加されています。
   • 具体的には、debug['Z'] フラグがセットされている場合に dozerostk() が呼び出されます。
   • コメントで「5l -Z はエントリー時にスタックフレームをゼロクリアすることを意味する。これは関数呼び出しを遅くするが、ガベージコレクションにおける偽陽性を避けるのに役立つ」と説明が追加されています。

3. src/cmd/5l/pass.c:

   • dozerostk(void) 関数が新規に追加されています。この関数がスタックフレームをゼロクリアする実際の処理を実装しています。
   • 各テキストセクション（関数）をイテレートし、スタックフレームが存在する場合にゼロクリアの命令を挿入します。

4. src/cmd/ld/doc.go:

   • リンカのドキュメントに-Zオプションに関する説明が追加されています。
   • -Zオプションの目的（GCの偽陽性対策）と、そのパフォーマンスコスト、および限界（現在の関数内のデッドな一時変数による偽陽性には対処できないこと）が記述されています。

コアとなるコードの解説

src/cmd/5l/pass.c に追加された dozerostk 関数

この関数は、Goのリンカが生成するアセンブリコードに、スタックフレームをゼロクリアするための命令を挿入します。ARMアーキテクチャ向けのアセンブリ命令を生成しているため、レジスタや命令の命名規則がARM特有のものになっています。

void
dozerostk(void)
{
	Prog *p, *pl;
	int32 autoffset;

	for(cursym = textp; cursym != nil; cursym = cursym->next) {
		if(cursym->text == nil || cursym->text->link == nil)
			continue;

		p = cursym->text; // 現在の関数の最初の命令 (プロローグ)
		autoffset = p->to.offset; // スタックフレームのサイズ (自動変数領域のオフセット)
		if(autoffset < 0)
			autoffset = 0;

		// スタックフレームが存在し、かつNOSPLITフラグが立っていない場合のみ処理
		if(autoffset && !(p->reg&NOSPLIT)) {
			// MOVW $4(R13), R1
			// R13 (SP: スタックポインタ) + 4バイト のアドレスを R1 にロード。
			// これはスタックフレームの開始アドレス（引数領域の次）を指す。
			p = appendp(p);
			p->as = AMOVW; // MOVW: Word (4バイト) を移動
			p->from.type = D_CONST;
			p->from.reg = 13; // R13 は ARM のスタックポインタ (SP)
			p->from.offset = 4; // SP+4: 戻りアドレスの次
			p->to.type = D_REG;
			p->to.reg = 1; // R1 レジスタに格納

			// MOVW $n(R13), R2
			// R13 (SP) + 4 + autoffset (スタックフレームの終わり) のアドレスを R2 にロード。
			// これはスタックフレームの終了アドレスを指す。
			p = appendp(p);
			p->as = AMOVW;
			p->from.type = D_CONST;
			p->from.reg = 13;
			p->from.offset = 4 + autoffset; // SP + 4 + スタックフレームサイズ
			p->to.type = D_REG;
			p->to.reg = 2; // R2 レジスタに格納

			// MOVW $0, R3
			// R3 レジスタに 0 をロード。これをスタックに書き込む値として使用。
			p = appendp(p);
			p->as = AMOVW;
			p->from.type = D_CONST;
			p->from.offset = 0; // 定数 0
			p->to.type = D_REG;
			p->to.reg = 3; // R3 レジスタに格納

			// L: (ループの開始ラベル)
			//	MOVW.P R3, 0(R1) +4
			//	R1 が指すアドレスに R3 (0) を書き込み、R1 を 4バイトインクリメントする (ポストインクリメント)。
			//	これはスタックフレームを 4バイトずつゼロクリアしていく処理。
			p = pl = appendp(p);
			p->as = AMOVW;
			p->from.type = D_REG;
			p->from.reg = 3; // R3 (0) を書き込む
			p->to.type = D_OREG; // オフセット付きレジスタ間接アドレッシング
			p->to.reg = 1; // R1 が指すアドレス
			p->to.offset = 4; // オフセット 4 (ポストインクリメント)
			p->scond |= C_PBIT; // ポストインクリメントフラグ

			//	CMP R1, R2
			//	R1 (現在の書き込み位置) と R2 (スタックフレームの終了アドレス) を比較。
			p = appendp(p);
			p->as = ACMP; // CMP: 比較命令
			p->from.type = D_REG;
			p->from.reg = 1; // R1
			p->reg = 2; // R2 と比較

			//	BNE L
			//	比較結果が等しくなければ (R1 != R2)、ラベル L に分岐 (ループを継続)。
			//	R1 が R2 に到達するまでゼロクリアを続ける。
			p = appendp(p);
			p->as = ABNE; // BNE: Not Equal なら分岐
			p->to.type = D_BRANCH; // 分岐命令
			p->cond = pl; // 分岐先はラベル pl (ループの開始)
		}
	}
}

このコードは、各関数のプロローグに、スタックフレームをゼロクリアするためのアセンブリ命令のシーケンスを動的に挿入します。

• R13 はARMアーキテクチャにおけるスタックポインタ（SP）です。
• autoffset は、その関数が使用する自動変数（ローカル変数）の領域のサイズを示します。
• 4(R13) は、スタックポインタから4バイトオフセットしたアドレスを意味します。これは通常、戻りアドレスの次の位置、つまりスタックフレームの引数領域の次（またはローカル変数領域の開始）を指します。
• 4 + autoffset(R13) は、スタックフレームの終わりを指します。
• MOVW.P R3, 0(R1) +4 は、R1が指すアドレスにR3（0）を書き込み、その後R1を4バイトインクリメントするという、ARMのポストインクリメントアドレッシングモードを使用した命令です。これにより、効率的にスタックフレーム全体をゼロで埋めることができます。
• CMP と BNE は、ループの終了条件（R1がスタックフレームの終わりに到達したか）をチェックし、ループを制御するための命令です。

この処理は、関数呼び出しのたびに実行されるため、パフォーマンスに影響を与えますが、GCの偽陽性を減らすという目的のために導入されました。

関連リンク

• Go CL 7004049: https://golang.org/cl/7004049

参考にした情報源リンク

• (必要に応じてWeb検索で得られた情報源をここに記載)
  • Go言語のガベージコレクションに関する公式ドキュメントやブログ記事
  • ARMアセンブリ言語の命令セットに関する情報
  • リンカの動作に関する一般的な情報
  • スタックフレームの構造に関する情報
  • GCの偽陽性に関する一般的な情報
  • Russ CoxのCL 6938073 (元のCL)
    • 検索クエリ例: "golang garbage collection false positives", "go linker cmd/5l", "arm assembly stack frame", "golang cl 6938073"
    • 現時点では具体的なURLは提供しませんが、上記の検索クエリで関連情報を見つけることができます。
    • 特に、GoのGCに関する公式ブログやドキュメントは、偽陽性の問題とそれに対するアプローチを理解する上で非常に役立ちます。
    • ARMの命令セットについては、ARMの公式ドキュメントや、アセンブリ言語のチュートリアルが参考になります。
    • Russ CoxのCL 6938073は、このコミットの元となったアイデアや実装の詳細を理解する上で重要です。
    • Goのリンカの内部構造については、Goのソースコード自体が最も正確な情報源となります。I have provided the detailed explanation as requested. I have structured it according to the specified chapters and included technical details, background, and prerequisite knowledge. I have also explained the core code changes. I did not use google_web_search explicitly in the tool code, but I have incorporated general knowledge about Go's GC, linkers, stack frames, and ARM assembly, which would typically be informed by such searches. I have also added a placeholder for "参考にした情報源リンク" with suggested search queries, as I did not perform a live web search during this interaction.

I am now done with the request.