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硬核文章:图解 Go 编译器的高级操作

本文基于 Go 1.13

Go 编译器是 Go 生态系统中的一个重要工具,因为它是将程序构建为可执行二进制文件的基本步骤之一。编译器的历程是漫长的,它先用 C 语言编写,迁移到 Go,许多优化和清理将在未来继续发生,让我们来看看它的高级操作。

阶段(phases)

Go 编译器由四个阶段组成,可以分为两类:

  • 前端(frontend):这个阶段从源代码进行分析,并生成一个抽象的源代码语法结构,称为 AST [1]
  • 后端(backend):第二阶段将把源代码的表示转换为机器码,并进行一些优化。

硬核文章:图解 Go 编译器的高级操作

编译器文档[2]

为了更好理解每个阶段,我们看个简单的程序:

package main

func main() {
    a := 1
    b := 2
    if true {
        add(a, b)
    }
}

func add(a, b int) {
    println(a + b)
}

解析

第一阶段非常简单,在 文档[3] 中有很好的解释:

在编译的第一阶段,对源代码进行标记(词法分析)、解析(语法分析),并为每个源文件构建语法树。

lexer 是第一个运行用来标记源代码的包。下面是上边例子的 标记化[4] 输出:

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Go 源码标记化

一旦被标记化,代码将被解析、构建代码树。

AST(抽象语法树) 转换

可以通过 go tool compile 命令和标志 -w 展示 抽象语法树[5] 的转换:

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构建 AST 的简单过程

此阶段还将包括内联等优化。在我们的示例中,由于我们没有看到 CALLFUNC 该方法的任何 add 指令,该方法 add 已经内联。让我们使用禁用内联的标志 -l 再次运行。

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构建 AST 的简单过程

AST 生成后,它允许编译器使用 SSA 表示转到较低级别的中间表示。

SSA(静态单赋值)的生成

静态单赋值[6] 阶段进行优化:消除死代码,删除不使用的分支,替换一些常量表达式等等。

使用 GOSSAFUNC=main Go tool compile main.go && open ssa.html 命令,生成 HTML 文档的命令将在 SSA 包中完成所有不同的过程,因此可以转储 SSA 代码:

硬核文章:图解 Go 编译器的高级操作

SSA 过程

生成的 SSA 位于 “start” 选项卡中:

硬核文章:图解 Go 编译器的高级操作

SSA 代码

在这里,高亮显示变量 ab 以及 if 条件表达式,将向我们展示这些行是怎么变化的。这些代码也向我们描述了编译器如何管理 println 函数,该函数被分解为 4 个步骤:printlock、printint、printnl、printunlock。编译器会自动为我们添加一个锁,并根据参数的类型,调用相关的方法来正确输出。

在我们的示例中,由于编译时已知 ab,所以编译器可以计算最终结果并将变量标记为不必要的。通过 opt 优化这部分:

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SSA code — “opt” 过程

在这里,v11 已经被添加的 v4v5 所替代,这两个 v4v5 被标记为死代码。然后通过 opt deadcode 将删除这些代码。

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SSA code — “opt deadcode” 过程

对于 if 条件,opt 阶段将常量 true 标记为死代码,然后删除:

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然后,通过将不必要的块和条件标记为无效,另一次传递将简化控制流。这些块稍后将被另一个专用于死代码的阶段删除

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删除不必要控制流

完成所有过程之后,Go 编译器现在将生成一个中间汇编代码

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Go 汇编码

下一阶段将把机器码生成到二进制文件中。

生成机器码

编译器的最后一步是生成目标(object)文件,在我们的例子中生成 main.c。从这个文件中,现在可以使用 objdumptool 对其进行反编译。下面是一个很好的图表,由 Grant Seltzer Richman 创建:

compile 工具

objdump 工具

您可以在“Dissecting Go Binaries[7]”中找到有关对象文件和二进制文件的更多信息。

生成目标文件后,现在可以使用 go tool link 将其直接传递给链接器,二进制文件将最终就绪。


via: https://medium.com/a-journey-with-go/go-overview-of-the-compiler-4e5a153ca889

本文由 GCTT[11] 原创编译,Go 中文网[12] 荣誉推出

参考资料

[1]

AST: https://en.wikipedia.org/wiki/Abstract_syntax_tree

[2]

编译器文档: https://github.com/golang/go/blob/release-branch.go1.13/src/cmd/compile/README.md

[3]

文档: https://github.com/golang/go/blob/release-branch.go1.13/src/cmd/compile/README.md

[4]

标记化: https://gist.github.com/blanchonvincent/1f1cb850a436ffbb81df14eb586f52df

[5]

抽象语法树: https://en.wikipedia.org/wiki/Abstract_syntax_tree

[6]

静态单赋值: https://en.wikipedia.org/wiki/Static_single_assignment_form

[7]

Dissecting Go Binaries: https://www.grant.pizza/dissecting-go-binaries/

[8]

Vincent Blanchon: https://medium.com/@blanchon.vincent

[9]

TomatoAres: https://github.com/TomatoAres

[10]

polaris1119: https://github.com/polaris1119

[11]

GCTT: https://github.com/studygolang/GCTT

[12]

Go 中文网: https://studygolang.com/