圖文講解：Go 中的循環(huán)是如何轉(zhuǎn)為匯編的？

本文基于 Go 1.13 版本

循環(huán)在編程中是一個(gè)重要的概念，且易于上手。但是，循環(huán)必須被翻譯成計(jì)算機(jī)能理解的底層指令。它的編譯方式也會(huì)在一定程度上影響到標(biāo)準(zhǔn)庫中的其他組件。讓我們開始分析循環(huán)吧。

循環(huán)的匯編代碼

使用循壞迭代 array，slice，channel，以下是一個(gè)使用循環(huán)對(duì) slice 計(jì)算總和的例子。

func main() {
   l := []int{9, 45, 23, 67, 78}
   t := 0

   for _, v := range l {
      t += v
   }

   println(t)
}

使用 go tool compile -S main.go 生成的匯編代碼，以下為相關(guān)輸出：

0x0041 00065 (main.go:4)   XORL   AX, AX
0x0043 00067 (main.go:4)   XORL   CX, CX

0x0045 00069 (main.go:7)   JMP    82
0x0047 00071 (main.go:7)   MOVQ   ""..autotmp_5+16(SP)(AX*8), DX
0x004c 00076 (main.go:7)   INCQ   AX
0x004f 00079 (main.go:8)   ADDQ   DX, CX
0x0052 00082 (main.go:7)   CMPQ   AX, $5
0x0056 00086 (main.go:7)   JLT    71
0x0058 00088 (main.go:11)  MOVQ   CX, "".t+8(SP)

我把這些指令分為了兩個(gè)部分，初始化部分和循環(huán)主體。前兩條指令，將兩個(gè)寄存器初始化為零值。

0x0041 00065 (main.go:4)   XORL   AX, AX
0x0043 00067 (main.go:4)   XORL   CX, CX

寄存器 AX 包含著當(dāng)前循環(huán)所處位置，而 CX 包含著變量 t 的值，下面為帶有指令和通用寄存器的直觀表示：

循環(huán)從表示「跳轉(zhuǎn)到指令 82 」的 JMP 82 開始，這條指令的作用可以通過第二行來判斷：

接下來的指令 CMPQ AX,$5 表示「比較寄存器 AX 和 5」，事實(shí)上，這個(gè)操作是把 AX 中的值減去 5 ，然后儲(chǔ)存在另一個(gè)寄存器中，這個(gè)值可以被用在下一條指令 JLT 71 中，它的含義是 「如果值小于 0 則跳轉(zhuǎn)到指令 71 」，以下是更新后的直觀表示：

如果不滿足條件，則程序?qū)?huì)跳轉(zhuǎn)到循環(huán)體之后的下一條指令執(zhí)行。

所以，我們現(xiàn)在有了對(duì)循環(huán)的基本框架，以下是轉(zhuǎn)換后的 Go 循環(huán)：

goto end
start:
   ?
end:
   if i < 5 {
      goto start
   }

println(t)

我們?nèi)鄙倭搜h(huán)的主體，接下來，我們看看這部分的指令：

0x0047 00071 (main.go:7)   MOVQ   ""..autotmp_5+16(SP)(AX*8), DX
0x004c 00076 (main.go:7)   INCQ   AX
0x004f 00079 (main.go:8)   ADDQ   DX, CX

第一條指令 MOVQ ""..autotmp_5+16(SP)(AX*8), DX  表示 「將內(nèi)存從源位置移動(dòng)到目標(biāo)地址」，它由以下幾個(gè)部分組成：

• ""..autotmp_5+16(SP) 表示 slice ，而 SP 表示了棧指針即我們當(dāng)前的內(nèi)存空間， autotmp_* 是自動(dòng)生成變量名。
• 偏差為 8 是因?yàn)樵?64 位計(jì)算機(jī)架構(gòu)中，int 類型是 8 字節(jié)的。偏差乘以寄存器 AX 的值，表示當(dāng)前循環(huán)中的位置。
• 寄存器 DX 代表的目標(biāo)地址內(nèi)包含著循環(huán)的當(dāng)前值。

之后，INCQ 表示自增，然后會(huì)增加循環(huán)的當(dāng)前位置：

循環(huán)主體的最后一條指令是 ADDQ DX, CX ,表示把 DX 的值加在 CX，所以我們可以看出，DX 所包含的值是目前循環(huán)所代表的的值，而 CX 代表了變量 t 的值。

他會(huì)一直循環(huán)至計(jì)數(shù)器到 5 ，之后循環(huán)體之后的指令表示為將寄存器 CX 的值賦予 t ：

0x0058 00088 (main.go:11)   MOVQ   CX, "".t+8(SP)

以下為最終狀態(tài)的示意圖：

我們可以完善 Go 中循環(huán)的轉(zhuǎn)換：

func main() {
   l := []int{9, 45, 23, 67, 78}
   t := 0
   i := 0

   var tmp int

   goto end
start:
   tmp = l[i]
   i++
   t += tmp
end:
   if i < 5 {
      goto start
   }

   println(t)
}

這個(gè)程序生成的匯編代碼與上文所提到的函數(shù)生成的匯編代碼有著相同的輸出。

改進(jìn)

循環(huán)的內(nèi)部轉(zhuǎn)換方式可能會(huì)對(duì)其他特性(如 Go 調(diào)度器)產(chǎn)生影響。在 Go 1.10 之前，循環(huán)像下面的代碼一樣編譯：

func main() {
   l := []int{9, 45, 23, 67, 78}
   t := 0
   i := 0

   var tmp int
   p := uintptr(unsafe.Pointer(&l[0]))

   if i >= 5 {
      goto end
   }
body:
   tmp = *(*int)(unsafe.Pointer(p))
   p += unsafe.Sizeof(l[0])
   i++
   t += tmp
   if i < 5 {
      goto body
   }
end:
   println(t)
}

這種實(shí)現(xiàn)方式的問題是，當(dāng) i 達(dá)到 5 時(shí)，指針 p 已經(jīng)超過了內(nèi)存分配空間的尾部。這個(gè)問題使得循環(huán)不容易搶占，因?yàn)樗闹黧w是不安全的。循環(huán)編譯的優(yōu)化確保它不會(huì)創(chuàng)建任何越界的指針。這個(gè)改進(jìn)是為 Go 調(diào)度器中的非合作搶占做準(zhǔn)備的。你可以在這篇 Proposal^[1] 中到更詳細(xì)的討論。

via: https://medium.com/a-journey-with-go/go-how-are-loops-translated-to-assembly-835b985309b3

作者：Vincent Blanchon^[2]譯者：Jun10ng^[3]校對(duì)：polaris1119^[4]

本文由 GCTT^[5] 原創(chuàng)編譯，Go 中文網(wǎng)^[6] 榮譽(yù)推出

參考資料