Go程序如何编译成机器代码

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在Stream ，我们广泛使用Go，它大大提高了我们的生产率。我们还发现，通过使用Go，速度非常出色，并且自从开始使用它以来，我们已经实现了堆栈的关键任务部分，例如由gRPC，Raft和RocksDB提供支持的内部存储引擎。

今天，我们将研究Go 1.11编译器以及它将Go源代码编译为可执行文件的方式，以了解我们如何使用日常工作工具。我们还将看到为什么Go代码如此之快以及编译器如何提供帮助。我们将看一下编译器的三个阶段：

扫描程序将源代码转换为令牌列表，以供解析器使用。
解析器，将令牌转换成抽象语法树，以供代码生成使用。
代码生成，它将抽象语法树转换为机器代码。

注意： Go编译器不会使用 我们将要使用的软件包（ go / scanner ， go / parser ， go / token ， go / ast 等），但主要是供在Go上操作的工具使用的源代码。 但是，实际的Go编译器具有非常相似的语义。 它不使用这些软件包，因为编译器曾经是用C编写并转换为Go代码的，所以实际的Go编译器仍然让人联想到该结构。

扫描器

每个编译器的第一步是将原始源代码文本分解为令牌，这是由扫描程序（也称为lexer）完成的。令牌可以是关键字，字符串，变量名，函数名等。每个有效的程序“单词”都由令牌表示。具体来说，这可能意味着我们拥有令牌“ package”，“ main”，“ func”等。

每个标记在Go中均由其位置，类型和原始文本表示。 Go even允许我们使用go / scanner和go / token程序包在Go程序中执行扫描程序。这意味着我们可以在扫描Go编译器之后检查程序的外观。为此，我们将创建一个简单的程序来打印Hello World程序的所有标记。

该程序将如下所示：

我们将创建源代码字符串并初始化scanner.Scanner结构，它将扫描我们的源代码。我们会尽可能多地调用Scan（）并打印令牌的位置，类型和文字字符串，直到到达文件结尾（ EOF ）标记。

当我们运行该程序时，它将打印以下内容：

在这里，我们可以看到Go解析器在编译程序时使用的内容。我们还可以看到，扫描仪添加了分号，通常将分号放在其他编程语言（如C）中。这解释了Go不需要分号的原因：扫描仪可以智能地放置分号。

解析器

扫描源代码后，它将被传递到解析器。解析器是编译器的阶段，该阶段将令牌转换为抽象语法树（AST）。 AST是源代码的结构化表示。在AST中，我们将能够看到程序结构，例如函数和常量声明。

Go再次向我们提供了用于解析程序和查看AST的软件包： go / parser和go / ast 。我们可以像这样使用它们来打印完整的AST：

输出：

在此输出中，您可以看到有关该程序的很多信息。在Decls字段中，有文件中所有声明的列表，例如导入，常量，变量和函数。在这种情况下，我们只有两个： fmt包的导入和main函数。

为了进一步了解它，我们可以看一下该图，它是上述数据的表示，但只包括类型，红色表示与节点相对应的代码：

主要功能由三部分组成：名称，声明和主体。名称表示为带有值main的标识符。由类型字段指定的声明将包含参数列表和返回类型（如果我们指定了任何类型）。主体由一系列语句组成，其中包含程序的所有行，在这种情况下，只有一行。

我们的单个fmt.Println语句由AST中的很多部分组成。该语句是一个ExprStmt ，它表示一个表达式，它可以例如是此处的函数调用，也可以是文字，二进制运算（例如加法和减法），一元运算（例如实例取一个数字）等等。在函数调用的参数中可以使用的任何东西都是表达式。

我们的ExprStmt包含一个CallExpr ，这是我们的实际函数调用。这又包括几个部分，其中最重要的是Fun和Args 。 Fun包含对函数调用的引用，在这种情况下，它是SelectorExpr ，因为我们从fmt包中选择了Println标识符。但是，在AST中，编译器尚未知道fmt是一个程序包，它也可能是AST中的变量。

Args包含一个表达式列表，这些表达式是该函数的参数。在这种情况下，我们已经向函数传递了文字字符串，因此它由类型为STRING的BasicLit表示。

显然，我们能够从AST中得出很多结论。这意味着我们还可以进一步检查AST并查找例如文件中的所有函数调用。为此，我们将使用ast包中的Inspect函数。该函数将递归地遍历树，并允许我们检查来自所有节点的信息。

要提取所有函数调用，我们将使用以下代码：

我们在这里正在寻找所有节点，以及它们是否为* ast.CallExpr类型，我们刚刚看到它们代表函数调用。如果是这样，我们将使用打印机程序包打印Fun成员中存在的函数的名称。

该代码的输出为：

打印机

这确实是我们简单程序中唯一的函数调用，因此我们确实找到了所有函数调用。

构造AST之后，所有导入将使用GOPATH或Go 1.11及更高版本的模块来解决。然后，将检查类型，并应用一些初步优化，以使程序执行更快。

代码生成

在解决了导入问题并检查了类型之后，我们确定程序是有效的Go代码，并且可以开始将AST转换为（伪）机器代码的过程。

此过程的第一步是将AST转换为程序的低级表示形式，尤其是将其转换为静态单一分配（SSA）形式。这个中间表示不是最终的机器代码，但是它确实代表了更多的最终机器代码。 SSA具有一组属性，可以更轻松地应用优化，其中最重要的是始终在使用变量之前定义变量，并且每个变量只分配一次。

生成SSA的初始版本后，将应用许多优化过程。这些优化应用于某些代码段，可以使这些代码段更简单或更快速地执行。例如，可以消除诸如if（false）{fmt.Println（“ test”）}之类的无效代码，因为它将永远不会执行。优化的另一个示例是可以删除某些nil检查，因为编译器可以证明这些检查永远不会出错。

现在让我们看一下这个简单程序的SSA和一些优化过程：

如您所见，该程序只有一个功能和一个导入。运行时将打印2。但是，此样本足以查看SSA。

注意：仅显示主要功能的SSA，这是有趣的部分。

为了显示生成的SSA，我们需要将GOSSAFUNC环境变量设置为要查看其SSA的函数，在本例中为main。我们还需要将-S标志传递给编译器，因此它将打印代码并创建HTML文件。我们还将编译用于64位Linux的文件，以确保机器代码与您在此处看到的代码相同。因此，要编译文件，我们将运行：

$ GOSSAFUNC = main GOOS = linux GOARCH = amd64 go build -gcflags“ -S” simple.go

它会打印所有SSA，但也会生成一个ssa.html交互式文件，因此我们将使用它。

当您打开ssa.html时，将显示许多通行证，其中大多数已折叠。起始阶段是从AST生成的SSA；较低的通道将非机器专用的SSA转换为机器专用的SSA，并且genssa是最终生成的机器代码。

开始阶段的代码如下所示：

这个简单的程序已经生成了很多SSA（总共35行）。但是，很多都是样板，可以消除很多（最终的SSA版本有28行，而最终的机器代码版本有18行）。

每个v是一个新变量，可以单击以查看使用它的位置。 b是块，因此在这种情况下，我们有三个块： b1，b2和b3。 b1将始终被执行。 b2和b3是条件块，可以通过b1末尾的If v19→b2 b3（可能）看到。我们可以在该行点击V19查看V19在何处被定义。我们将其定义为IsSliceInBounds <bool> v14 v15 ，通过查看Go编译器源代码，我们可以看到IsSliceInBounds检查0 <= arg0 <= arg1 。我们还可以单击v14和v15来查看它们的定义方式，然后将看到v14 = Const64 <int> [0]; Const64是一个常数64位整数。 v15被定义为与1相同。因此，我们基本上有0 <= 0 <= 1 ，这显然是正确的 。

编译器也能够证明这一点，当我们看opt阶段（“与机器无关的优化”）时，我们可以看到它已将v19重写为ConstBool <bool> [true] 。这将在opt死代码阶段中使用，其中b3被删除，因为之前显示的条件中的v19始终为true。

现在，我们将看看在SSA转换为特定于机器的SSA之后，Go编译器进行的另一种更简单的优化，因此这将是amd64体系结构的机器代码。为此，我们将比较降低的死代码和降低的死代码。这是较低阶段的内容：

在HTML文件中，某些行显示为灰色，这意味着它们将在下一阶段之一中被删除或更改。例如， v15 （ MOVQconst <int> [1] ）变灰。通过点击它进一步审查V15，我们看到它不能用于其他地方，并且MOVQconst基本上是相同的指令，我们看到之前，Const64，只有机专用的AMD64。 因此，我们将v15设置为1 。但是， v15在其他任何地方都无法使用，因此它是无用的（死）代码，可以消除。