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開場白

我（史斌）曾在Gopher China 2020大會上分享過《Go語言編譯器簡介》（https://github.com/gopherchina/conference/tree/master/2020）。當時僅僅是泛泛的瀏覽了一下Go編譯器，但其實每一頁PPT都能單獨展開講。因此我準備寫一系列文章，把當時未能詳細闡述的內(nèi)容補充一下。

歡迎轉(zhuǎn)載擴散，但請標注原創(chuàng)出自公眾號："Golang Contributor Club"。

為什么學習編譯器

編譯器對多數(shù)人是一個黑盒，只需了解命令行參數(shù)即可；但我認為深入了解編譯器的內(nèi)部有很多好處。

第一個好處是：了解編譯器能讓gopher深入了解Go程序的運行機制，從而寫出更優(yōu)質(zhì)的代碼。

第二個好處是：能提升gopher的內(nèi)功。編譯器涉及正則表達式，樹搜索/樹變換，有向圖變換/有向圖搜索；這些對于寫上層業(yè)務邏輯的gopher以前是虛幻的屠龍術(shù)，但是閱讀編譯器源碼后，你會發(fā)現(xiàn)它們其實很實用。

第三個好處是：你有機會接觸匯編語言，以及各個硬件平臺的特點。ARM64服務器已經(jīng)成為一種趨勢，已經(jīng)在部分場景取代了X86_64服務器。所以我們需要了解不同的硬件平臺的特點。

第四個好處是：編譯器會是未來的一個熱門行業(yè)。因為美國的制裁，當下是國內(nèi)芯片行業(yè)的春天，加強中國芯的建設已經(jīng)成為一個政治任務。而處理器（CPU/GPU/NPU/TPU/.../xPU）作為芯片領(lǐng)域的重要分支，是需要編譯器支持的。當前國內(nèi)編譯器領(lǐng)域嚴重缺人，因為入門難度高，起薪自然比其它容易入門的領(lǐng)域高。（我的團隊長期招人，歡迎砸簡歷。）

第五個好處是：你可以基于Go編譯器定制自己的編程語言。Go編譯器從go-1.7開始已經(jīng)實現(xiàn)模塊化，這意味著你可以自己設計一個全新的編程語言（甚至不兼容Go語法），借助Go編譯器編譯成一個可執(zhí)行程序。

閱讀前的準備

雖然本系列的定位是科普文，但是我也不準備從最基本的正則表達式，語法樹，有向圖等最基礎(chǔ)的知識講起；因此假設讀者有一定的知識基礎(chǔ)。

在這個前提下，我希望你看過我在Gopher China 2020上的講座，并閱讀過PPT（https://github.com/gopherchina/conference/tree/master/2020）。

除此之外，我希望你閱讀過柴樹杉大神寫的《Go語法樹入門》（https://github.com/chai2010/go-ast-book），這是關(guān)于編譯前端非常優(yōu)秀的入門書籍。在此基礎(chǔ)上，本系列的重點是講解編譯中端和后端。

坦白地說，編譯器確實是最難入門的領(lǐng)域；同時也是最難寫科普文的領(lǐng)域：專業(yè)人士看了覺得淺顯，沒相關(guān)基礎(chǔ)的讀者看了覺得云山霧罩。雖然如此，我還是想挑戰(zhàn)一下。希望能收到讀者更多反饋，我會據(jù)此調(diào)節(jié)講解的內(nèi)容。

基礎(chǔ)知識回顧

目前成熟的生產(chǎn)環(huán)境用的編譯器，都是基于久經(jīng)考驗的前中后三階段架構(gòu)。

其中前端將高級語言的源代碼翻譯成IR（Intermediate Representation）序列，并傳遞給中端；中端對輸入的原始IR序列做通用優(yōu)化，并輸出優(yōu)化后的IR序列給后端；后端接收中端傳來的IR序列，將其映射成真正的匯編指令序列，并做進一步和硬件相關(guān)的特殊優(yōu)化。最終經(jīng)過鏈接生成可執(zhí)行程序。

這種架構(gòu)的第一個好處是：新的高級語言無需支持所有的硬件，僅需生成IR即可；新的硬件無需適配所有的高級編程語言，僅需適配IR即可。從因果關(guān)系上看，前端和后端各自都是一個子編譯器，前端把高級語言編譯成IR序列，IR對于前端就是（偽）匯編；而后端把IR編譯成真匯編，IR對于后端就是（偽）高級語言。

這種架構(gòu)的第二個好處是：避免重復性的優(yōu)化。例如把'a*8'優(yōu)化成'a<<3'在所有的硬件上都適用。因此沒必要每個后端都做一遍，把這個優(yōu)化放在中端一次性完成即可。

這種架構(gòu)的第三個好處是：針對SSA（Single Static Assignment）形態(tài)的IR，已經(jīng)有無數(shù)計算機科學家做了大量細致的研究，有非常成熟的優(yōu)化算法可以借鑒。編譯原理最經(jīng)典的教材龍書的作者，就因為在此領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻獲得了2021年度的圖靈獎。

Go編譯器

Go編譯器在go-1.7之前，采用的是非常老舊的語法樹（AST）覆蓋的編譯技術(shù)，從go-1.7開始逐步采用更主流的基于SSA-IR的前中后三階段編譯技術(shù)。雖然Go編譯器無需支持別的高級編程語言，但是上述的第二點和第三點好處仍然適用。

一個額外的好處是，Go編譯器的中端和后端被做成了獨立的庫"golang.org/x/tools/go/ssa"。這就意味著，你可以自己寫一個新的語言前端（甚至不兼容Go語法），并調(diào)用Go的ssa庫，生成可執(zhí)行程序；甚至于你自己定義的編程語言可以無縫地調(diào)用其它Go的代碼；進一步，你可以借助于Go的生態(tài)系統(tǒng)打造自己的編程語言！類似于Scala語言和Java語言的關(guān)系。

SSA-IR

SSA-IR（Single Static Assignment）是一種介于高級語言和匯編語言的中間形態(tài)的偽語言，從高級語言角度看，它是（偽）匯編；而從真正的匯編語言角度看，它是（偽）高級語言。

顧名思義，SSA（Single Static Assignment）的兩大要點是：

Static：每個變量只能賦值一次（因此應該叫常量更合適）；
Single：每個表達式只能做一個簡單運算，對于復雜的表達式a*b+c*d要拆分成："t0=a*b; t1=c*d; t2=t0+t1;"三個簡單表達式；

例如有如下Go源代碼：

func foo(a, b int) int {  c := 8  return a*4 + b*c}

它改寫成SSA形式是：

func foo(a, b int) int {  c := 8  t0 := a * 4  t1 := b * c  t2 := t0 + t1  return t2}

它被中端優(yōu)化后的SSA形式是：

func foo(a, b int) int {  t0 := a << 2  t1 := b << 3  t2 := t0 + t1  return t2}

說到這里，敏感的讀者可能會問：如果只有賦值，那么程序豈不是只有順序結(jié)構(gòu)，而分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)是如何支持的？因此這里要提前劇透一點，Go編譯器的IR不僅有SSA，還有if-goto指令；Go語言的if語句和for循環(huán)語句，都是會被編譯成if-goto指令。事實上在結(jié)構(gòu)化編程（順序/分支/循環(huán)）概念出現(xiàn)之前，就是因為goto語句的濫用而導致了1960年代的第一次軟件工程危機。說白了程序運行實際上還是依賴goto，而if/for語句只是為了讓程序更具有可讀性，減少潛在bug。下面是一個小例子：

func foo(a, b int) int {  if (a > b) {    return a + b  } else {    return a - b}

它被編譯器前端翻譯成IR后是如下形態(tài)（注意：if-goto-else-goto是一個整體的單條指令，條件/真目的地/假目的地是它的三個操作數(shù)，就像除法指令有被除數(shù)和除數(shù)兩個操作數(shù)一樣）：

func foo(a, b int) int {  c := a > b  if (c) goto _true; else goto _false;
_true:  t0 := a + b  return t0
_false:  t1 := a - b  return t1}

后續(xù)文章會逐步對Go的IR做完整的介紹。這里舉兩個最簡單的例子，便于讀者快速了解IR的核心概念和常見形態(tài)。

實操

Go編譯器提供了完備的調(diào)試手段，正好我們可以借用過來展示Go編譯器的內(nèi)部工作流程。本系列文章使用go-1.14.15做演示，請讀者安裝此版本。

下面用一個例子test.go：

// test.gopackage main
func foo(a, b int) int {  c := 8  return a*4 + b*c}
func main() {  println(foo(100, 150))}

使用如下命令編譯，在得到可執(zhí)行目標程序的同時，還會得到一個額外的ssa.html，這個ssa.html就記錄了Go編譯器的工作流程和各階段的中間結(jié)果。其中GOSSAFUNC環(huán)境變量用于指定需要被調(diào)試的函數(shù)，本例中是foo。

$ GOSSAFUNC=foo go build a.go# command-line-argumentsdumped SSA to ./ssa.html

打開ssa.html，可以看到編譯foo函數(shù)一共經(jīng)過了40多道工序。

其中，source和AST屬于編譯器前端，從start到writebarrier屬于編譯器中端，從lower到genssa屬于編譯器后端。

這其中的start/writebarrier/genssa三道工序的輸出，請讀者認真看一下。

start工序是編譯器前端的最后一步，輸出原始IR序列，請讀者對照源碼仔細體會。v10對應變量c，v11對應第一個乘法運算的乘數(shù)4，v12是第一個乘法的積，v13是第二個乘法的積，v14是加法的和。

start
b1:v1 (?) = InitMem <mem>v2 (?) = SP <uintptr>v3 (?) = SB <uintptr>v4 (?) = LocalAddr <*int> {a} v2 v1v5 (?) = LocalAddr <*int> {b} v2 v1v6 (?) = LocalAddr <*int> {~r2} v2 v1v7 (4) = Arg <int> {a} (a[int])v8 (4) = Arg <int> {b} (b[int])v9 (?) = Const64 <int> [0]v10 (?) = Const64 <int> [8] (c[int])v11 (?) = Const64 <int> [4]v12 (6) = Mul64 <int> v7 v11v13 (6) = Mul64 <int> v8 v10v14 (6) = Add64 <int> v12 v13v15 (6) = VarDef <mem> {~r2} v1v16 (6) = Store <mem> {int} v6 v14 v15Ret v16 (+6)

writebarrier是編譯器中端的最后一步，輸出經(jīng)通用優(yōu)化后的IR序列。讀者可以看到，最初的乘法運算（Mul64）被優(yōu)化成了移位運算（Lsh64x64）。

writebarrier [549 ns]
b1:v1 (?) = InitMem <mem>v2 (?) = SP <uintptr>v6 (?) = LocalAddr <*int> {~r2} v2 v1v7 (4) = Arg <int> {a} (a[int])v8 (4) = Arg <int> {b} (b[int])v15 (6) = VarDef <mem> {~r2} v1v9 (+6) = Const64 <uint64> [2]v5 (6) = Const64 <uint64> [3]v12 (+6) = Lsh64x64 <int> [false] v7 v9v13 (6) = Lsh64x64 <int> [false] v8 v5v14 (6) = Add64 <int> v12 v13v16 (6) = Store <mem> {int} v6 v14 v15Ret v16 (+6)

而genssa是后端的最后一步，輸出真正的最優(yōu)的x86_64匯編序列。

小結(jié)和展望

本文介紹了理解Go編譯器的所需背景知識，以及Go編譯器的整體工作流程。后續(xù)的文章會逐步針對上面的各道工序展開講解。

漫談Go語言編譯器（01）