Golang編譯器介紹-創(chuàng)新互聯(lián)

cmd/compile 包含構(gòu)成 Go 編譯器主要的包。編譯器在邏輯上可以被分為四個(gè)階段，我們將簡(jiǎn)要介紹這幾個(gè)階段以及包含相應(yīng)代碼的包的列表。
在談到編譯器時(shí)，有時(shí)可能會(huì)聽(tīng)到 前端(front-end)和 后端(back-end)這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。粗略地說(shuō)，這些對(duì)應(yīng)于我們將在此列出的前兩個(gè)和后兩個(gè)階段。第三個(gè)術(shù)語(yǔ) 中間端(middle-end)通常指的是第二階段執(zhí)行的大部分工作。
請(qǐng)注意，go/parser 和 go/types 等 go/* 系列的包與編譯器無(wú)關(guān)。由于編譯器最初是用 C 編寫(xiě)的，所以這些 go/* 包被開(kāi)發(fā)出來(lái)以便于能夠?qū)懗龊?Go 代碼一起工作的工具，例如 gofmt 和 vet。
需要澄清的是，名稱(chēng) “gc” 代表 “ Go 編譯器(Go compiler)”，與大寫(xiě) GC 無(wú)關(guān)，后者代表 垃圾收集(garbage collection)。

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1、解析

  • cmd/compile/internal/syntax（ 詞法分析器(lexer)、 解析器(parser)、 語(yǔ)法樹(shù)(syntax tree)）

在編譯的第一階段，源代碼被標(biāo)記化（詞法分析）、解析（語(yǔ)法分析），并為每個(gè)源文件構(gòu)造語(yǔ)法樹(shù)（譯注：這里標(biāo)記指 token，它是一組預(yù)定義的、能夠識(shí)別的字符串，通常由名字和值構(gòu)成，其中名字一般是詞法的類(lèi)別，如標(biāo)識(shí)符、關(guān)鍵字、分隔符、操作符、文字和注釋等；語(yǔ)法樹(shù)，以及下文提到的 抽象語(yǔ)法樹(shù)(Abstract Syntax Tree)（AST），是指用樹(shù)來(lái)表達(dá)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)，通常葉子節(jié)點(diǎn)是操作數(shù)，其它節(jié)點(diǎn)是操作碼）。
每個(gè)語(yǔ)法樹(shù)都是相應(yīng)源文件的確切表示，其中節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于源文件的各種元素，例如表達(dá)式、聲明和語(yǔ)句。語(yǔ)法樹(shù)還包括位置信息，用于錯(cuò)誤報(bào)告和創(chuàng)建調(diào)試信息。

2、類(lèi)型檢查和 AST 變換

  • cmd/compile/internal/gc（創(chuàng)建編譯器 AST， 類(lèi)型檢查(type-checking)， AST 變換(AST transformation)）

gc 包中包含一個(gè)繼承自（早期）C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的版本的 AST 定義。所有代碼都是基于它編寫(xiě)的，所以 gc 包必須做的第一件事就是將 syntax 包（定義）的語(yǔ)法樹(shù)轉(zhuǎn)換為編譯器的 AST 表示法。這個(gè)額外步驟可能會(huì)在將來(lái)重構(gòu)。
然后對(duì) AST 進(jìn)行類(lèi)型檢查。第一步是名字解析和類(lèi)型推斷，它們確定哪個(gè)對(duì)象屬于哪個(gè)標(biāo)識(shí)符，以及每個(gè)表達(dá)式具有的類(lèi)型。類(lèi)型檢查包括特定的額外檢查，例如“聲明但未使用”以及確定函數(shù)是否會(huì)終止。
特定變換也基于 AST 完成。一些節(jié)點(diǎn)被基于類(lèi)型信息而細(xì)化，例如把字符串加法從算術(shù)加法的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型中拆分出來(lái)。其它一些例子是 死代碼消除(dead code elimination)， 函數(shù)調(diào)用內(nèi)聯(lián)(function call inlining)和 逃逸分析(escape analysis)（譯注：逃逸分析是一種分析指針有效范圍的方法）。

3、通用 SSA

  • cmd/compile/internal/gc（轉(zhuǎn)換成 SSA）
  • cmd/compile/internal/ssa（SSA 相關(guān)的 環(huán)節(jié)(pass)和規(guī)則）

（譯注：許多常見(jiàn)高級(jí)語(yǔ)言的編譯器無(wú)法通過(guò)一次掃描源代碼或 AST 就完成所有編譯工作，取而代之的做法是多次掃描，每次完成一部分工作，并將輸出結(jié)果作為下次掃描的輸入，直到最終產(chǎn)生目標(biāo)代碼。這里每次掃描稱(chēng)作一個(gè) 環(huán)節(jié)(pass)；最后一個(gè)環(huán)節(jié)之前所有的環(huán)節(jié)得到的結(jié)果都可稱(chēng)作中間表示法，本文中 AST、SSA 等都屬于中間表示法。SSA，靜態(tài)單賦值形式，是中間表示法的一種性質(zhì)，它要求每個(gè)變量只被賦值一次且在使用前被定義）。
在此階段，AST 將被轉(zhuǎn)換為 靜態(tài)單賦值(Static Single Assignment)（SSA）形式，這是一種具有特定屬性的低級(jí) 中間表示法(intermediate representation)，可以更輕松地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化并最終從它生成機(jī)器碼。
在這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，將完成 內(nèi)置函數(shù)(function intrinsics)的處理。這些是特殊的函數(shù)，編譯器被告知逐個(gè)分析這些函數(shù)并決定是否用深度優(yōu)化的代碼替換它們（譯注：內(nèi)置函數(shù)指由語(yǔ)言本身定義的函數(shù)，通常編譯器的處理方式是使用相應(yīng)實(shí)現(xiàn)函數(shù)的指令序列代替對(duì)函數(shù)的調(diào)用指令，有點(diǎn)類(lèi)似內(nèi)聯(lián)函數(shù)）。
在 AST 轉(zhuǎn)化成 SSA 的過(guò)程中，特定節(jié)點(diǎn)也被低級(jí)化為更簡(jiǎn)單的組件，以便于剩余的編譯階段可以基于它們工作。例如，內(nèi)建的拷貝被替換為內(nèi)存移動(dòng)，range 循環(huán)被改寫(xiě)為 for 循環(huán)。由于歷史原因，目前這里面有些在轉(zhuǎn)化到 SSA 之前發(fā)生，但長(zhǎng)期計(jì)劃則是把它們都移到這里（轉(zhuǎn)化 SSA）。
然后，一系列機(jī)器無(wú)關(guān)的規(guī)則和編譯環(huán)節(jié)會(huì)被執(zhí)行。這些并不考慮特定計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，因此對(duì)所有 GOARCH 變量的值都會(huì)運(yùn)行。
這類(lèi)通用的編譯環(huán)節(jié)的一些例子包括，死代碼消除、移除不必要的空值檢查，以及移除無(wú)用的分支等。通用改寫(xiě)規(guī)則主要考慮表達(dá)式，例如將一些表達(dá)式替換為常量，優(yōu)化乘法和浮點(diǎn)操作。

4、生成機(jī)器碼

  • cmd/compile/internal/ssa（SSA 低級(jí)化和架構(gòu)特定的環(huán)節(jié)）
  • cmd/internal/obj（機(jī)器碼生成）

編譯器中機(jī)器相關(guān)的階段開(kāi)始于“低級(jí)”的編譯環(huán)節(jié)，該階段將通用變量改寫(xiě)為它們的特定的機(jī)器碼形式。例如，在 amd64 架構(gòu)中操作數(shù)可以在內(nèi)存中操作，這樣許多 加載-存儲(chǔ)(load-store)操作就可以被合并。
注意低級(jí)的編譯環(huán)節(jié)運(yùn)行所有機(jī)器特定的重寫(xiě)規(guī)則，因此當(dāng)前它也應(yīng)用了大量?jī)?yōu)化。
一旦 SSA 被“低級(jí)化”并且更具體地針對(duì)目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)，就要運(yùn)行最終代碼優(yōu)化的編譯環(huán)節(jié)了。這包含了另外一個(gè)死代碼消除的環(huán)節(jié)，它將變量移動(dòng)到更靠近它們使用的地方，移除從來(lái)沒(méi)有被讀過(guò)的局部變量，以及 寄存器(register)分配。
本步驟中完成的其它重要工作包括 堆棧布局(stack frame layout)，它將堆棧偏移位置分配給局部變量，以及 指針活性分析(pointer liveness analysis)，后者計(jì)算每個(gè)垃圾收集安全點(diǎn)上的哪些堆棧上的指針仍然是活動(dòng)的。
在 SSA 生成階段結(jié)束時(shí)，Go 函數(shù)已被轉(zhuǎn)換為一系列 obj.Prog 指令。它們被傳遞給匯編程序（cmd/internal/obj），后者將它們轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼并輸出最終的目標(biāo)文件。目標(biāo)文件還將包含反射數(shù)據(jù)，導(dǎo)出數(shù)據(jù)和調(diào)試信息。

總結(jié)

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