理解unsafe-assume-no-moving-gc包

本文永久链接 – https://tonybai.com/2023/04/16/understanding-unsafe-assume-no-moving-gc

1. 背景

在之前的《Go与神经网络：张量计算》一文中，不知道大家是否发现了，所有例子代码执行时，前面都加了一个环境变量ASSUME_NO_MOVING_GC_UNSAFE_RISK_IT_WITH，就像下面这样：

$ASSUME_NO_MOVING_GC_UNSAFE_RISK_IT_WITH=go1.20 go run tensor.go

这是怎么回事儿呢？如果不加上这个环境变量会发生什么呢？我们来试试：

// https://github.com/bigwhite/experiments/blob/master/go-and-nn/tensor-operations/tensor.go

$go run tensor.go
panic: Something in this program imports go4.org/unsafe/assume-no-moving-gc to declare that it assumes a non-moving garbage collector, but your version of go4.org/unsafe/assume-no-moving-gc hasn't been updated to assert that it's safe against the go1.20 runtime. If you want to risk it, run with environment variable ASSUME_NO_MOVING_GC_UNSAFE_RISK_IT_WITH=go1.20 set. Notably, if go1.20 adds a moving garbage collector, this program is unsafe to use.

goroutine 1 [running]:
go4.org/unsafe/assume-no-moving-gc.init.0()
    /Users/tonybai/Go/pkg/mod/go4.org/unsafe/assume-no-moving-gc@v0.0.0-20220617031537-928513b29760/untested.go:25 +0x1ba
exit status 2

我们看到，程序panic了！我们看到panic的错误信息提到了go4.org/unsafe/assume-no-moving-gc这个包，显然是这个包在“作祟”，那么assume-no-moving-gc这个包究竟是做什么的呢？究竟有何功用？为何gorgonia.org/tensor会依赖这个包？这超出了《Go与神经网络：张量计算》那篇文章的范畴，所以我并未提及。在这篇文章中，我就和大家一起来理解一下unsafe-assume-no-moving-gc这个包。

2. unsafe-assume-no-moving-gc究竟是什么包？

unsafe-assume-no-moving-gc这个包的canonical import path是go4.org/unsafe/assume-no-moving-gc，显然它是go4.org这个组织开源的包。我们看看go4.org的主页(如下图)：

这个站点主页非常“简陋”，最大的价值在于解释了go4的来历：gopher的谐音。go4.org开源了一些Go包，这个在其官方github站点可以看到：

项目不多，Star数也不多，但随便翻看一个项目的contributor，我们能看到前Googler、前Go核心团队成员、net/http包的设计者Brad Fitzpatrick(bradfitz)以及Go runtime的核心贡献者Josh Bleecher Snyder(josharian)。现在这两人似乎都在初创公司tailscale任职，做基于wireguard协议的远程安全控制平台(简单理解就是VPN平台)。tailscale汇集了一撮Go语言的原核心开发，go4.org就是他们开源的一些misc go包。而unsafe-assume-no-moving-gc这个包就是其中之一。

那么这个包究竟是做什么的呢？我们接着往下看。

3. unsafe-assume-no-moving-gc的工作原理

unsafe-assume-no-moving-gc是一个非常简单的包：

$tree unsafe-assume-no-moving-gc -F
unsafe-assume-no-moving-gc
├── LICENSE
├── README.md
├── assume-no-moving-gc.go
├── assume-no-moving-gc_test.go
├── go.mod
└── untested.go

0 directories, 6 files

除了test源文件外，它的源文件只有两个assume-no-moving-gc.go和untested.go。打开这两个源文件，你会发现这个包甚至都没有提供任何API。那这个包究竟是做什么用的呢？下面是这个包的README：

大致的理解就是如果你的代码中使用了Go中的unsafe tip，那么你的程序可以正常工作的前提是Go运行时垃圾回收器不是一个带迁移机制的回收器(collector)。

所谓带迁移机制的collector，即在GC回收时可能将某些heap object挪到其他内存地址上。你的程序如果导入unsafe-assume-no-moving-gc这个包，就可以在Go GC支持迁移机制时以“程序启动崩溃”的行为提醒你。

我们来看一个例子：

// main.go
package main

import (
    "fmt"

    _ "go4.org/unsafe/assume-no-moving-gc"
)

func main() {
    fmt.Println("unsafe-assume-no-moving-gc demo")
}

go mod tidy后，使用Go 1.20版本运行该源文件：

$go mod tidy
go: finding module for package go4.org/unsafe/assume-no-moving-gc
go: downloading go4.org/unsafe/assume-no-moving-gc v0.0.0-20230221090011-e4bae7ad2296
go: downloading go4.org v0.0.0-20230225012048-214862532bf5

$go run main.go
unsafe-assume-no-moving-gc demo

由于目前最新Go 1.20.x版本的GC并非带迁移机制的GC，因此使用Go 1.20跑上面程序不会导致panic。

我们将unsafe-assume-no-moving-gc包回退到以前的版本，比如：v0.0.0-20230221090011-e4bae7ad2296，然后再run一遍main.go：

$go get go4.org/unsafe/assume-no-moving-gc@v0.0.0-20201222180813-1025295fd063
go: downgraded go4.org/unsafe/assume-no-moving-gc v0.0.0-20230221090011-e4bae7ad2296 => v0.0.0-20201222180813-1025295fd063

$go run main.go
panic: Something in this program imports go4.org/unsafe/assume-no-moving-gc to declare that it assumes a non-moving garbage collector, but your version of go4.org/unsafe/assume-no-moving-gc hasn't been updated to assert that it's safe against the go1.20 runtime. If you want to risk it, run with environment variable ASSUME_NO_MOVING_GC_UNSAFE_RISK_IT_WITH=go1.20 set. Notably, if go1.20 adds a moving garbage collector, this program is unsafe to use.

goroutine 1 [running]:
go4.org/unsafe/assume-no-moving-gc.init.0()
    /Users/tonybai/Go/pkg/mod/go4.org/unsafe/assume-no-moving-gc@v0.0.0-20201222180813-1025295fd063/untested.go:24 +0x1ba
exit status 2

从输出的panic error信息中，我们看到go4.org/unsafe/assume-no-moving-gc尚未被升级到可以信任go 1.20版本的版本，因此以Go 1.20运行该程序可能有风险。如果你能确认不会存在问题，可以用ASSUME_NO_MOVING_GC_UNSAFE_RISK_IT_WITH=go1.20这个环境变量来避免panic，比如下面这个输出：

$ASSUME_NO_MOVING_GC_UNSAFE_RISK_IT_WITH=go1.20 go run main.go
unsafe-assume-no-moving-gc demo

那么unsafe-assume-no-moving-gc包是怎么做到上述“检测”的呢？其诀窍就在untested.go这个源文件中。我们下载go4.org/unsafe/assume-no-moving-gc源码，并将其“回退”到1025295fd063这个commit时刻：

$git checkout 1025295fd063
Note: checking out '1025295fd063'.

... ...

HEAD is now at 1025295 flesh out package doc

查看untested.go：

// Copyright 2020 Brad Fitzpatrick. All rights reserved.
// Use of this source code is governed by a BSD-style
// license that can be found in the LICENSE file.

// +build go1.18

package assume_no_moving_gc

import (
    "os"
    "runtime"
    "strings"
)

func init() {
    dots := strings.SplitN(runtime.Version(), ".", 3)
    v := runtime.Version()
    if len(dots) >= 2 {
        v = dots[0] + "." + dots[1]
    }
    if os.Getenv(env) == v {
        return
    }
    panic("Something in this program imports go4.org/unsafe/assume-no-moving-gc to declare that it assumes a non-moving garbage collector, but your version of go4.org/unsafe/assume-no-moving-gc hasn't been updated to assert that it's safe against the " + v + " runtime. If you want to risk it, run with environment variable " + env + "=" + v + " set. Notably, if " + v + " adds a moving garbage collector, this program is unsafe to use.")
}

这个文件有两个特点：

使用了build constraint：// +build go1.18，这意味着在你使用Go 1.18及更高版本时，该源文件才会参与编译。
包含了init函数，你的代码在导入assume_no_moving_gc包时，该init函数会执行，产生“副作用”。

注：关于build constraint的用法，参见go help buildconstraint。

这样，我们使用go 1.20版本运行上面main.go时，由于go 1.20版本大于go 1.18版本，untested.go将被编译且其中的init函数将被执行，如果env这个常量(“ASSUME_NO_MOVING_GC_UNSAFE_RISK_IT_WITH”)所对应的环境变量没有设置，那么init函数将走到panic，从而导致程序退出并输出panic信息。

现在我们将assume_no_moving_gc包的版本切换回最新版本，最新版本的untested.go中的build constraint如下：

  //go:build go1.21
  // +build go1.21

这意味着你使用Go 1.21或以上版本时，untested.go文件才会被编译，如果我们使用go 1.20版本运行main.go，我们便不会“触发”untested.go中init函数的副作用，于是main.go得以正常运行。

注：截至go 1.20版本，Go GC依然不会挪动heap object。

在理解unsafe-assume-no-moving-gc包之前，我就该包的功用“咨询”了ChatGPT，ChatGPT的回答如下：

可以看出，ChatGPT基本上是一本正经地“胡说八道”。

4. 小结

unsafe-assume-no-moving-gc只针对GC对heap object的迁移，而不会保证栈地址的迁移，我们知道，Go中栈地址是会变的，因为goroutine的初始栈才2KB，一旦超出这个范围，Go runtime就会对栈进行扩展，即分配一个更大的地址范围作为goroutine的栈，然后将原栈上的变量迁移到新栈中，这样原先栈上变量的地址就都会发生变化。

不过，如果你的Go源码中采用了unsafe tips，依赖了heap object的地址，那么这里建议你导入unsafe-assume-no-moving-gc包。但要注意，随着go最新版本的发布，你要及时更新依赖的unsafe-assume-no-moving-gc的版本。否则当用户使用最新版本go时，依赖你的包的程序就会以panic来提醒。

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