Go程序如何编译为机器码
我们go2018-11-21 09:04
在Stream，我们广泛使用Go，它大大提高了我们的生产力。我们还发现，通过使用Go，速度非常快，自从我们开始使用它以来，我们已经实现了堆栈的任务关键部分，例如我们的内部存储引擎，由gRPC，Raft和RocksDB提供支持。
今天我们将看看Go 1.11编译器以及它如何将Go源代码编译成可执行文件，以便了解我们日常使用的工具是如何工作的。我们还将看到为什么Go代码如此之快以及编译器如何帮助。我们将看看编译器的三个阶段：
扫描程序，将源代码转换为令牌列表，供解析器使用。解析器，将标记转换为抽象语法树，供代码生成使用。代码生成，将抽象语法树转换为机器代码。注意：我们将要使用的包（go/scanner，go/parser，go/token，go/ast等）不是Go编译器使用的，而是主要供工具在Go上运行使用源代码。但是，实际的Go编译器具有非常相似的语义。它不使用这些包，因为编译器曾经用C编写并转换为Go代码，因此实际的Go编译器仍然让人想起该结构。
扫描器
每个编译器的第一步是将原始源代码文本分解为标记，这由扫描程序（也称为词法分析器）完成。标记可以是关键字，字符串，变量名，函数名等。每个有效程序“单词”由标记表示。对于Go来说，这可能意味着我们有一个令牌“package”，“main”，“func”等等。
每个标记由Go中的位置，类型和原始文本表示。Go甚至允许我们使用go/scanner和go/token包在Go程序中自己执行扫描程序。这意味着我们可以在扫描完成后检查Go程序的程序。为此，我们将创建一个打印Hello World程序的所有标记的简单程序。
该程序将如下所示：
我们将创建我们的源代码字符串并初始化scan.Scanner结构，它将扫描我们的源代码。我们尽可能多地调用Scan（）并打印令牌的位置，类型和文字字符串，直到我们到达文件结束（EOF）标记。
当我们运行程序时，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器添加分号，其中通常将其放置在其他编程语言（如C）中。这解释了为什么Go不需要分号：它们由扫描仪智能放置。
分析器
扫描源代码后，它将被传递给解析器。解析器是编译器的一个阶段，它将标记转换为抽象语法树（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再次为我们提供了解析程序的包并查看AST：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，你可以看到有关该程序的一些信息。在Decls字段中，有一个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：我们导入fmt包和main函数。
为了进一步消化它，我们可以看一下这个图，它是上述数据的表示，但只包含类型，红色代表与节点对应的代码：
主要功能由三部分组成：名称，声明和正文。该名称表示为值为main的标识符。由Type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any）。正文包含一个包含我们程序所有行的语句列表，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，例如，它可以是一个函数调用，就像它在这里一样，或者它可以是文字，二进制操作（例如加法和减法），一元操作（用于实例否定一个数字）等等。可以在函数调用的参数中使用的任何东西都是表达式。
我们的ExprStmt包含一个CallExpr，它是我们实际的函数调用。这又包括几个部分，其中最重要的部分是Fun和Args。Fun包含对函数调用的引用，在这种情况下，它是一个SelectorExpr，因为我们从fmt包中选择Println标识符。但是，在AST中，编译器还不知道fmt是一个包，它也可能是AST中的一个变量。
Args包含一个表达式列表，它是函数的参数。在这种情况下，我们将一个文字字符串传递给函数，因此它由一个类型为STRING的BasicLit表示。
很明显，我们能够从AST中推断出很多。这意味着我们还可以进一步检查AST并查找文件中的所有函数调用。为此，我们将使用ast包中的Inspect函数。此函数将递归遍历树，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：
我们在这里做的是查找所有节点以及它们是否为*ast.CallExpr类型，我们刚才看到它代表了我们的函数调用。如果是，我们将使用打印机包打印Fun成员中存在的函数的名称。
此代码的输出将是：
fmt.Println
这确实是我们简单程序中唯一的函数调用，所以我们确实找到了所有函数调用。
构建AST后，将使用GOPATH或Go 1.11及更高版本的模块解析所有导入。然后，将检查类型，并应用一些初步优化，这使得程序的执行更快。
代码生成
在解析导入并检查了类型之后，我们确定程序是有效的Go代码，我们可以开始将AST转换为（伪）机器代码的过程。
此过程的第一步是将AST转换为程序的较低级别表示，特别是转换为静态单一分配（SSA）表单。这个中间表示不是最终的机器代码，但它确实代表了最终的机器代码。SSA具有一组属性，可以更容易地应用优化，其中最重要的是变量在使用之前始终定义，并且每个变量只分配一次。
在生成SSA的初始版本之后，将应用许多优化过程。这些优化适用于某些代码，可以使处理器执行更简单或更快速。例如，可以消除死代码，例如if（false）{fmt.Println（“test”）}，因为它永远不会执行。另一个优化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：
如你所见，此程序只有一个功能和一个导入。它会在运行时打印2。但是，此示例足以查看SSA。
注意：仅显示主要功能的SSA，因为这是有趣的部分。
为了显示生成的SSA，我们需要将GOSSAFUNC环境变量设置为我们想要查看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Linux 64位文件，以确保机器代码与你在此处看到的相同。因此，要编译文件，我们将运行：
它将打印所有SSA，但它也会生成一个交互式的ssa.html文件，因此我们将使用它。
当你打开ssa.html时，将显示许多通道，其中大部分都已折叠。起始传递是从AST生成的SSA;较低的传递将非机器特定的SSA转换为机器特定的SSA，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产生了相当多的SSA（总共35行）。然而，很多都是样板，可以消除很多（最终的SSA版本有28行，最终的机器代码版本有18行）。
每个v都是一个新变量，可以单击以查看其使用位置。b是块，所以在这种情况下，我们有三个块：b1，b2和b3。b1将始终执行。b2和b3是条件块，可以通过在b1结尾处的If v19→b2 b3（可能）看到。我们可以单击该行中的v19来查看v19的定义位置。我们看到它定义为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，我们将看到v14 = Const64 <int> [0];Const64是一个常量64位整数。v15被定义为相同但是1.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，当我们查看opt阶段（“机器无关优化”）时，我们可以看到它已经重写了v19为ConstBool <bool> [true]。这将用于opt deadcode阶段，其中b3被删除，因为前面显示的条件中的v19始终为true。
我们现在将看一下在将SSA转换为机器特定的SSA之后由Go编译器进行的另一个更简单的优化，因此这将是amd64体系结构的机器代码。为此，我们将比较较低和较低的死码。这是较低阶段的内容：
在HTML文件中，某些行是灰色的，这意味着它们将在下一个阶段中删除或更改。例如，v15（MOVQconst <int> [1]）显示为灰色。通过点击它进一步检查v15，我们看到它在其他任何地方都没有使用，MOVQconst基本上和我们之前看到的相同，Const64，只是amd64的机器特定。因此，我们将v15设置为1.但是，v15在其他任何地方都没有使用，因此它是无用的（死的）代码并且可以被删除。
Go编译器应用了很多这样的优化。因此，虽然AST的第一代SSA可能不是最快的实现，但编译器将SSA优化为更快的版本。HTML文件中的每个阶段都是可能发生加速的阶段。
如果你有兴趣在Go编译器中了解有关SSA的更多信息，请查看Go编译器的SSA源代码。在这里，定义了所有操作以及优化。
结论
Go是一种非常高效且高性能的语言，由其编译器及其优化支持。要了解有关Go编译器的更多信息，源代码具有很好的自述文件。
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