Go语言的函数调用信息

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我是靠谱客的博主舒心菠萝，最近开发中收集的这篇文章主要介绍Go语言的函数调用信息，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

By chaishushan{AT}gmail.com

注: 本文初稿发在 Golang 中国博客, 这里的内容有部分修改.

函数的调用信息是程序中比较重要运行期信息, 在很多场合都会用到(比如调试或日志).

Go语言 runtime 包的 runtime.Caller / runtime.Callers / runtime.FuncForPC 等几个函数提供了获取函数调用者信息的方法.

本文主要讲述这几个函数的用法.

runtime.Caller 的用法

函数的签名如下:

func runtime.Caller(skip int) (pc uintptr, file string, line int, ok bool)
runtime.Caller 返回当前 goroutine 的栈上的函数调用信息. 主要有当前的 pc 值和调用的文件和行号等信息. 若无法获得信息, 返回的 ok 值为 false.

其输入参数 skip 为要跳过的栈帧数, 若为 0 则表示 runtime.Caller 的调用者.

注意:由于历史原因, runtime.Caller 和 runtime.Callers 中的 skip 含义并不相同, 后面会讲到.

下面是一个简单的例子, 打印函数调用的栈帧信息:

func main() {
    for skip := 0; ; skip++ {
        pc, file, line, ok := runtime.Caller(skip)
        if !ok {
            break
        }
        fmt.Printf("skip = %v, pc = %v, file = %v, line = %vn", skip, pc, file, line)
    }
    // Output:
    // skip = 0, pc = 4198453, file = caller.go, line = 10
    // skip = 1, pc = 4280066, file = $(GOROOT)/src/pkg/runtime/proc.c, line = 220
    // skip = 2, pc = 4289712, file = $(GOROOT)/src/pkg/runtime/proc.c, line = 1394
}

其中 skip = 0 为当前文件("caller.go")的 main.main 函数, 以及对应的行号. 这里省略的无关代码, 因此输出的行号和网页展示的位置有些差异.

另外的 skip = 1 和 skip = 2 也分别对应2个函数调用. 通过查阅 runtime/proc.c 文件的代码, 我们可以知道对应的函数分别为 runtime.main 和 runtime.goexit.

整理之后可以知道, Go的普通程序的启动顺序如下:

runtime.goexit 为真正的函数入口(并不是main.main)
然后 runtime.goexit 调用 runtime.main 函数
最终 runtime.main 调用用户编写的 main.main 函数
runtime.Callers 的用法

函数的签名如下:

func runtime.Callers(skip int, pc []uintptr) int
runtime.Callers 函数和 runtime.Caller 函数虽然名字相似(多一个后缀s), 但是函数的参数/返回值和参数的意义都有很大的差异.

runtime.Callers 把调用它的函数Go程栈上的程序计数器填入切片 pc 中. 参数 skip 为开始在 pc 中记录之前所要跳过的栈帧数, 若为0则表示 runtime.Callers 自身的栈帧, 若为1则表示调用者的栈帧. 该函数返回写入到 pc 切片中的项数(受切片的容量限制).

下面是 runtime.Callers 的例子, 用于输出每个栈帧的 pc 信息:

func main() {
    pc := make([]uintptr, 1024)
    for skip := 0; ; skip++ {
        n := runtime.Callers(skip, pc)
        if n <= 0 {
            break
        }
        fmt.Printf("skip = %v, pc = %vn", skip, pc[:n])
    }
    // Output:
    // skip = 0, pc = [4304486 4198562 4280114 4289760]
    // skip = 1, pc = [4198562 4280114 4289760]
    // skip = 2, pc = [4280114 4289760]
    // skip = 3, pc = [4289760]
}

输出新的 pc 长度和 skip 大小有逆相关性. skip = 0 为 runtime.Callers 自身的信息.

这个例子比前一个例子多输出了一个栈帧, 就是因为多了一个runtime.Callers栈帧的信息(前一个例子是没有runtime.Caller信息的(注意:没有s后缀)).

那么 runtime.Callers 和 runtime.Caller 有哪些关联和差异?

runtime.Callers 和 runtime.Caller 的异同

因为前面2个例子为不同的程序, 输出的 pc 值并不具备参考性. 现在我们看看在同一个例子的输出结果如何:

func main() {
    for skip := 0; ; skip++ {
        pc, file, line, ok := runtime.Caller(skip)
        if !ok {
            break
        }
        fmt.Printf("skip = %v, pc = %v, file = %v, line = %vn", skip, pc, file, line)
    }
    // Output:
    // skip = 0, pc = 4198456, file = caller.go, line = 10
    // skip = 1, pc = 4280962, file = $(GOROOT)/src/pkg/runtime/proc.c, line = 220
    // skip = 2, pc = 4290608, file = $(GOROOT)/src/pkg/runtime/proc.c, line = 1394
    pc := make([]uintptr, 1024)
    for skip := 0; ; skip++ {
        n := runtime.Callers(skip, pc)
        if n <= 0 {
            break
        }
        fmt.Printf("skip = %v, pc = %vn", skip, pc[:n])
    }
    // Output:
    // skip = 0, pc = [4305334 4198635 4280962 4290608]
    // skip = 1, pc = [4198635 4280962 4290608]
    // skip = 2, pc = [4280962 4290608]
    // skip = 3, pc = [4290608]
}

比如输出结果可以发现, 4280962 和 4290608 两个 pc 值是相同的. 它们分别对应 runtime.main 和 runtime.goexit 函数.

runtime.Caller 输出的 4198456 和 runtime.Callers 输出的 4198635 并不相同. 这是因为, 这两个函数的调用位置并不相同, 因此导致了 pc 值也不完全相同.

最后就是 runtime.Callers 多输出一个 4305334 值, 对应runtime.Callers内部的调用位置.

由于Go语言(Go1.2)采用分段堆栈, 因此不同的 pc 之间的大小关系并不明显.

runtime.FuncForPC 的用途

函数的签名如下:

func runtime.FuncForPC(pc uintptr) *runtime.Func
func (f *runtime.Func) FileLine(pc uintptr) (file string, line int)
func (f *runtime.Func) Entry() uintptr
func (f *runtime.Func) Name() string

其中 runtime.FuncForPC 返回包含给定 pc 地址的函数, 如果是无效 pc 则返回 nil .

runtime.Func.FileLine 返回与 pc 对应的源码文件名和行号. 安装文档的说明, 如果pc不在函数帧范围内, 则结果是不确定的.

runtime.Func.Entry 对应函数的地址. runtime.Func.Name 返回该函数的名称.

下面是 runtime.FuncForPC 的例子:

func main() {
    for skip := 0; ; skip++ {
        pc, _, _, ok := runtime.Caller(skip)
        if !ok {
            break
        }
        p := runtime.FuncForPC(pc)
        file, line := p.FileLine(0)

        fmt.Printf("skip = %v, pc = %vn", skip, pc)
        fmt.Printf("  file = %v, line = %dn", file, line)
        fmt.Printf("  entry = %vn", p.Entry())
        fmt.Printf("  name = %vn", p.Name())
    }
    // Output:
    // skip = 0, pc = 4198456
    //   file = caller.go, line = 8
    //   entry = 4198400
    //   name = main.main
    // skip = 1, pc = 4282882
    //   file = $(GOROOT)/src/pkg/runtime/proc.c, line = 179
    //   entry = 4282576
    //   name = runtime.main
    // skip = 2, pc = 4292528
    //   file = $(GOROOT)/src/pkg/runtime/proc.c, line = 1394
    //   entry = 4292528
    //   name = runtime.goexit
    pc := make([]uintptr, 1024)
    for skip := 0; ; skip++ {
        n := runtime.Callers(skip, pc)
        if n <= 0 {
            break
        }
        fmt.Printf("skip = %v, pc = %vn", skip, pc[:n])
        for j := 0; j < n; j++ {
            p := runtime.FuncForPC(pc[j])
            file, line := p.FileLine(0)

            fmt.Printf("  skip = %v, pc = %vn", skip, pc[j])
            fmt.Printf("    file = %v, line = %dn", file, line)
            fmt.Printf("    entry = %vn", p.Entry())
            fmt.Printf("    name = %vn", p.Name())
        }
        break
    }
    // Output:
    // skip = 0, pc = [4307254 4198586 4282882 4292528]
    //   skip = 0, pc = 4307254
    //     file = $(GOROOT)/src/pkg/runtime/runtime.c, line = 315
    //     entry = 4307168
    //     name = runtime.Callers
    //   skip = 0, pc = 4198586
    //     file = caller.go, line = 8
    //     entry = 4198400
    //     name = main.main
    //   skip = 0, pc = 4282882
    //     file = $(GOROOT)/src/pkg/runtime/proc.c, line = 179
    //     entry = 4282576
    //     name = runtime.main
    //   skip = 0, pc = 4292528
    //     file = $(GOROOT)/src/pkg/runtime/proc.c, line = 1394
    //     entry = 4292528
    //     name = runtime.goexit
}

根据测试, 如果是无效 pc (比如0), runtime.Func.FileLine 一般会输出当前函数的开始行号. 不过在实践中, 一般会用 runtime.Caller 获取文件名和行号信息, runtime.Func.FileLine 很少用到(如何独立获取pc参数?).

定制的 CallerName 函数

基于前面的几个函数, 我们可以方便的定制一个 CallerName 函数. 函数 CallerName 返回调用者的函数名/文件名/行号等用户友好的信息.

函数实现如下:

func CallerName(skip int) (name, file string, line int, ok bool) {
    var pc uintptr
    if pc, file, line, ok = runtime.Caller(skip + 1); !ok {
        return
    }
    name = runtime.FuncForPC(pc).Name()
    return
}

其中在执行 runtime.Caller 调用时, 参数 skip + 1 用于抵消 CallerName 函数自身的调用.

下面是基于 CallerName 的输出例子:

func main() {
    for skip := 0; ; skip++ {
        name, file, line, ok := CallerName(skip)
        if !ok {
            break
        }
        fmt.Printf("skip = %vn", skip)
        fmt.Printf("  file = %v, line = %dn", file, line)
        fmt.Printf("  name = %vn", name)
    }
    // Output:
    // skip = 0
    //   file = caller.go, line = 19
    //   name = main.main
    // skip = 1
    //   file = $(GOROOT)/src/pkg/runtime/proc.c, line = 220
    //   name = runtime.main
    // skip = 2
    //   file = $(GOROOT)/src/pkg/runtime/proc.c, line = 1394
    //   name = runtime.goexit
}

这样就可以方便的输出函数调用者的信息了.

Go语言中函数的类型

在Go语言中, 除了语言定义的普通函数调用外, 还有闭包函数/init函数/全局变量初始化等不同的函数调用类型.

为了便于测试不同类型的函数调用, 我们包装一个 PrintCallerName 函数. 该函数用于输出调用者的信息.

func PrintCallerName(skip int, comment string) bool {

name, file, line, ok := CallerName(skip + 1)
if !ok {
    return false
}
fmt.Printf("skip = %v, comment = %sn", skip, comment)
fmt.Printf("  file = %v, line = %dn", file, line)
fmt.Printf("  name = %vn", name)
return true

}
然后编写以下的测试代码(函数闭包调用/全局变量初始化/init函数等):

var a = PrintCallerName(0, "main.a")
var b = PrintCallerName(0, "main.b")

func init() {
    a = PrintCallerName(0, "main.init.a")
}

func init() {
    b = PrintCallerName(0, "main.init.b")
    func() {
        b = PrintCallerName(0, "main.init.b[1]")
    }()
}

func main() {
    a = PrintCallerName(0, "main.main.a")
    b = PrintCallerName(0, "main.main.b")
    func() {
        b = PrintCallerName(0, "main.main.b[1]")
        func() {
            b = PrintCallerName(0, "main.main.b[1][1]")
        }()
        b = PrintCallerName(0, "main.main.b[2]")
    }()
}

输出结果如下:

// Output:
// skip = 0, comment = main.a
//   file = caller.go, line = 8
//   name = main.init
// skip = 0, comment = main.b
//   file = caller.go, line = 9
//   name = main.init
// skip = 0, comment = main.init.a
//   file = caller.go, line = 12
//   name = main.init·1
// skip = 0, comment = main.init.b
//   file = caller.go, line = 16
//   name = main.init·2
// skip = 0, comment = main.init.b[1]
//   file = caller.go, line = 18
//   name = main.func·001
// skip = 0, comment = main.main.a
//   file = caller.go, line = 23
//   name = main.main
// skip = 0, comment = main.main.b
//   file = caller.go, line = 24
//   name = main.main
// skip = 0, comment = main.main.b[1]
//   file = caller.go, line = 26
//   name = main.func·003
// skip = 0, comment = main.main.b[1][1]
//   file = caller.go, line = 28
//   name = main.func·002
// skip = 0, comment = main.main.b[2]
//   file = caller.go, line = 30
//   name = main.func·003

观察输出结果, 可以发现以下几个规律:

全局变量的初始化调用者为 main.init 函数
自定义的 init 函数有一个数字后缀, 根据出现的顺序进编号. 比如 main.init·1 和 main.init·2 等.
闭包函数采用 main.func·001 格式命名, 安装闭包定义结束的位置顺序进编号.
比如以下全局变量的初始化调用者为 main.init 函数:

var a = PrintCallerName(0, "main.a")
var b = PrintCallerName(0, "main.b")

以下两个 init 函数根据出现顺序分别对应 main.init·1 和 main.init·2 :

func init() { // main.init·1
    //
}
func init() { // main.init·2
    //
}

以下三个闭包根据定义结束顺序分别为 001 / 002 / 003 :

func init() {
    func(){
        //
    }() // main.func·001
}

func main() {
    func() {
        func(){
            //
        }() // main.func·002
    }() // main.func·003
}

因为, 这些特殊函数调用方式的存在, 我们需要进一步完善 CallerName 函数.

改进的 CallerName 函数

两类特殊的调用是 init 类函数调用和闭包函数调用.

改进后的 CallerName 函数对 init 类函数调用者统一处理为 init 函数. 将闭包函数调用这处理为调用者的函数名.

// caller types:
// runtime.goexit
// runtime.main
// main.init
// main.init·1
// main.main
// main.func·001
// code.google.com/p/gettext-go/gettext.TestCallerName
// ...
func CallerName(skip int) (name, file string, line int, ok bool) {
    var (
        reInit    = regexp.MustCompile(`init·d+$`) // main.init·1
        reClosure = regexp.MustCompile(`func·d+$`) // main.func·001
    )
    for {
        var pc uintptr
        if pc, file, line, ok = runtime.Caller(skip + 1); !ok {
            return
        }
        name = runtime.FuncForPC(pc).Name()
        if reInit.MatchString(name) {
            name = reInit.ReplaceAllString(name, "init")
            return
        }
        if reClosure.MatchString(name) {
            skip++
            continue
        }
        return
    }
    return
}

处理的思路:

如果是 init 类型的函数调用(匹配正则表达式"init·d+$"), 直接作为 init 函数范返回
如果是 func 闭包类型(匹配正则表达式"func·d+$"), 跳过当前栈帧, 继续递归处理
返回普通的函数调用类型
CallerName 函数的不足之处

有以下的代码:

func init() {
    var _ = myInit("1")
}
func main() {
    var _ = myInit("2")
}

var myInit = func(name string) {
    b = PrintCallerName(0, name + ":main.myInit.b")
}

myInit 为一个全局变量, 被赋值为一个闭包函数. 然后在 init 和 main 函数分别调用 myInit 这个闭包函数输出的结果会因为调用环境的不同而有差异.

从直观上看, myInit闭包函数在执行时, 最好输出 main.myInit 函数名. 但是 main.myInit 只是一个绑定到闭包函数的变量, 而闭包的真正名字是 main.func·???. 在运行时是无法得到 main.myInit 这个名字的.

因此在 gettext-go 中内部用的 callerName 函数采用将 main.func·??? 统一处理为 main.func 的, 然后作为 gettext.Gettext 翻译函数的上下文.

gettext-go 的 callerName 函数实现在这里: caller.go. 测试文件在这里: caller_test.go.

不同Go程序启动流程

基于函数调用者信息可以很容易的验证各种环境的程序启动流程.

我们需要建立一个独立的 caller 目录, 里面有三个测试代码.

caller/main.go 主程序:

package main

import (
    "fmt"
    "regexp"
    "runtime"
)

func main() {
    _ = PrintCallerName(0, "main.main._")
}

func PrintCallerName(skip int, comment string) bool {
    // 实现和前面的例子相同
}

func CallerName(skip int) (name, file string, line int, ok bool) {
    // 实现和前面的例子相同
}

caller/main_test.go 主程序的测试文件(同在一个main包):

package main

import (
    "fmt"
    "testing"
)

func TestPrintCallerName(t *testing.T) {
    for skip := 0; ; skip++ {
        name, file, line, ok := CallerName(skip)
        if !ok {
            break
        }
        fmt.Printf("skip = %v, name = %v, file = %v, line = %vn", skip, name, file, line)
    }
    t.Fail()
}

caller/example_test.go 主程序的包的调用者(在新的main_test包):

package main_test

import (
    myMain "."
    "fmt"
)

func Example() {
    for skip := 0; ; skip++ {
        name, file, line, ok := myMain.CallerName(skip)
        if !ok {
            break
        }
        fmt.Printf("skip = %v, name = %v, file = %v, line = %vn", skip, name, file, line)
    }
    // Output: ?
}

然后进入 caller 目录, 运行 go run test 可以得到以下的输出结果:

skip = 0, name = caller.TestPrintCallerName, file = caller/main_test.go, line = 10
skip = 1, name = testing.tRunner, file = $(GOROOT)/src/pkg/testing/testing.go, line = 391
skip = 2, name = runtime.goexit, file = $(GOROOT)/src/pkg/runtime/proc.c, line = 1394
--- FAIL: TestPrintCallerName (0.00 seconds)
--- FAIL: Example (2.0001ms)
got:
skip = 0, name = caller_test.Example, file = caller/example_test.go, line = 10

skip = 1, name = testing.runExample, file = $(GOROOT)/src/pkg/testing/example.go, line = 98
skip = 2, name = testing.RunExamples, file = $(GOROOT)/src/pkg/testing/example.go, line = 36
skip = 3, name = testing.Main, file = $(GOROOT)/src/pkg/testing/testing.go, line = 404
skip = 4, name = main.main, file = $(TEMP)/go-build365033523/caller/_test/_testmain.go, line = 51
skip = 5, name = runtime.main, file = $(GOROOT)/src/pkg/runtime/proc.c, line = 220
skip = 6, name = runtime.goexit, file = $(GOROOT)/src/pkg/runtime/proc.c, line = 1394
want:
?
FAIL
exit status 1
FAIL    caller        0.254s

分析输出数据我们可以发现, 测试代码和例子代码的启动流程和普通的程序流程都不太一样.

测试代码的启动流程:

runtime.goexit 还是入口
但是 runtime.goexit 不在调用 runtime.main 函数, 而是调用 testing.tRunner 函数
testing.tRunner 函数由 go test 命令生成, 用于执行各个测试函数
例子代码的启动流程:

runtime.goexit 还是入口
然后 runtime.goexit 调用 runtime.main 函数
最终 runtime.main 调用go test 命令生成的 main.main 函数, 在 _test/_testmain.go 文件
然后调用 testing.Main, 改函数执行各个例子函数
另外, 从这个例子我们可以发现, 我们自己写的 main.main 函数所在的 main 包也可以被其他包导入. 但是其他包导入之后的 main 包里的 main 函数就不再是main.main 函数了. 因此, 程序的入口也就不是自己写的 main.main 函数了.

2015.06.09补充: 更深入的可以看下这个文章 GO语解惑：从源码分析GO程序的入口

总结

Go语言 runtime 包的 runtime.Caller / runtime.Callers / runtime.FuncForPC 等函数虽然看起来比较简单, 但是功能却非常强大.

这几个函数不仅可以解决一些实际的工程问题(比如 gettext-go 中用于获取翻译的上下文信息), 而且非常适合用于调试和分析各种Go程序的运行时信息.

文章转载自开源中国社区 [http://www.oschina.net]