Go 程序是如何编译成目标机器码的
（给Go开发大全加星标）
来源：weixin_34416754
https://blog.csdn.net/weixin_34416754/article/details/88755272
【导读】本文介绍了golang编译器生成可执行文件的过程，详细解释了编译器在go程序速度快上起到了什么作用。
首先，编译器的三个阶段：
逐行扫描源代码，将之转换为一系列的 token，交给parser解析。parser，它将一系列token转换为AST（抽象语法树），用于下一步生成代码。最后一步，代码生成，会利用上一步生成的 AST并根据目标机器平台的不同，生成目标机器码。
注意：下面使用的代码包（go/scanner，go/parser，go/token，go/ast）主要是让我们可以方便地对 Go 代码进行解析和生成，做出更有趣的事情。但是 Go 本身的编译器并不是用这些代码包实现的。
扫描代码，进行词法分析
任何编译器的第一步都是将源代码文本分解成 token，由扫描程序（也称为词法分析器）完成。token 可以是关键字，字符串，变量名，函数名等等。每一个有效的词都由 token 表示。
在 Go 中，我们写在代码上的 "package"，"main"，"func" 这些都是 token。
token 由代码中的位置，类型和原始文本组成。我们可以使用 go/scanner 和 go/token 包在 Go 程序中自己执行扫描程序。这意味着我们可以像编译器那样扫描检视自己的代码。
下面，我们将通过一个打印 Hello World 的示例来展示 token。
package main
import (
"fmt"
"go/scanner"
"go/token"
)
func main() {
src := []byte(`
package main
import "fmt"
func main() {
fmt.Println("Hello, world!")
}
`)
var s scanner.Scanner
fset := token.NewFileSet()
file := fset.AddFile("", fset.Base(), len(src))
s.Init(file, src, nil, 0)
for {
pos, tok, lit := s.Scan()
fmt.Printf("%-6s%-8s%q\n", fset.Position(pos), tok, lit)
if tok == token.EOF {
break
}
}
}
首先通过源代码字符串创建 token 集合并初始化 scan.Scanner，它将逐行扫描我们的源代码。
接下来循环调用 Scan() 并打印每个 token 的位置，类型和文本字符串，直到遇到文件结束（EOF）标记。
输出：
2:1 package "package"
2:9 IDENT "main"
2:13 ; "\n"
4:1 import "import"
4:8 STRING "\"fmt\""
4:13 ; "\n"
6:1 func "func"
6:6 IDENT "main"
6:10 ( ""
6:11 ) ""
6:13 { ""
7:2 IDENT "fmt"
7:5 . ""
7:6 IDENT "Println"
7:13 ( ""
7:14 STRING "\"Hello, world!\""
7:29 ) ""
7:30 ; "\n"
8:1 } ""
8:2 ; "\n"
8:3 EOF ""
以第一行为例分析这个输出，第一列 2:1 表示扫描到了源代码第二行第一个字符，第二列 package 表示 token 是 package，第三列 "package" 表示源代码文本。
我们可以看到在 Scanner 执行过程中将 \n 换行符标记成了 ; 分号，像在 C 语言中是用分号表示一行结束的。这就解释了为什么 Go 不需要分号：它们是在词法分析阶段由 Scanner 智能地解释的。
语法分析
源代码扫描完成后，扫描结果将被传递给语法分析器。语法分析是编译的一个阶段，它将 token 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，比如函数和常量声明。
我们使用 go/parser 和 go/ast 来打印完整的 AST：
package main
import (
"go/ast"
"go/parser"
"go/token"
"log"
)
func main() {
src := []byte(`
package main
import "fmt"
func main() {
fmt.Println("Hello, world!")
}
`)
fset := token.NewFileSet()
file, err := parser.ParseFile(fset, "", src, 0)
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
ast.Print(fset, file)
}
输出：
0 *ast.File {
1 . Package: 2:1
2 . Name: *ast.Ident {
3 . . NamePos: 2:9
4 . . Name: "main"
5 . }
6 . Decls: []ast.Decl (len = 2) {
7 . . 0: *ast.GenDecl {
8 . . . TokPos: 4:1
9 . . . Tok: import
10 . . . Lparen: -
11 . . . Specs: []ast.Spec (len = 1) {
12 . . . . 0: *ast.ImportSpec {
13 . . . . . Path: *ast.BasicLit {
14 . . . . . . ValuePos: 4:8
15 . . . . . . Kind: STRING
16 . . . . . . Value: "\"fmt\""
17 . . . . . }
18 . . . . . EndPos: -
19 . . . . }
20 . . . }
21 . . . Rparen: -
22 . . }
23 . . 1: *ast.FuncDecl {
24 . . . Name: *ast.Ident {
25 . . . . NamePos: 6:6
26 . . . . Name: "main"
27 . . . . Obj: *ast.Object {
28 . . . . . Kind: func
29 . . . . . Name: "main"
30 . . . . . Decl: *(obj @ 23)
31 . . . . }
32 . . . }
33 . . . Type: *ast.FuncType {
34 . . . . Func: 6:1
35 . . . . Params: *ast.FieldList {
36 . . . . . Opening: 6:10
37 . . . . . Closing: 6:11
38 . . . . }
39 . . . }
40 . . . Body: *ast.BlockStmt {
41 . . . . Lbrace: 6:13
42 . . . . List: []ast.Stmt (len = 1) {
43 . . . . . 0: *ast.ExprStmt {
44 . . . . . . X: *ast.CallExpr {
45 . . . . . . . Fun: *ast.SelectorExpr {
46 . . . . . . . . X: *ast.Ident {
47 . . . . . . . . . NamePos: 7:2
48 . . . . . . . . . Name: "fmt"
49 . . . . . . . . }
50 . . . . . . . . Sel: *ast.Ident {
51 . . . . . . . . . NamePos: 7:6
52 . . . . . . . . . Name: "Println"
53 . . . . . . . . }
54 . . . . . . . }
55 . . . . . . . Lparen: 7:13
56 . . . . . . . Args: []ast.Expr (len = 1) {
57 . . . . . . . . 0: *ast.BasicLit {
58 . . . . . . . . . ValuePos: 7:14
59 . . . . . . . . . Kind: STRING
60 . . . . . . . . . Value: "\"Hello, world!\""
61 . . . . . . . . }
62 . . . . . . . }
63 . . . . . . . Ellipsis: -
64 . . . . . . . Rparen: 7:29
65 . . . . . . }
66 . . . . . }
67 . . . . }
68 . . . . Rbrace: 8:1
69 . . . }
70 . . }
71 . }
72 . Scope: *ast.Scope {
73 . . Objects: map[string]*ast.Object (len = 1) {
74 . . . "main": *(obj @ 27)
75 . . }
76 . }
77 . Imports: []*ast.ImportSpec (len = 1) {
78 . . 0: *(obj @ 12)
79 . }
80 . Unresolved: []*ast.Ident (len = 1) {
81 . . 0: *(obj @ 46)
82 . }
83 }
分析这个输出，在 Decls 字段中，包含了代码中所有的声明，例如导入、常量、变量和函数。在本例中，我们只有两个：导入fmt包 和 主函数。
为了进一步理解它，我们可以看看下面这个图，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：
main函数由三个部分组成：Name、Type 和 Body。Name 是值为 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（如果我们指定了的话）。正文由一系列语句组成，里面包含了程序的所有行，在本例中只有一行fmt.Println("Hello, world!")。
我们的一条 fmt.Println 语句由 AST 中很多部分组成。
该语句是一个 ExprStmt表达式语句(expression statement)，例如，它可以像这里一样是一个函数调用，它可以是字面量，可以是一个二元运算（例如加法和减法），当然也可以是一元运算（例如自增++，自减--，否定！等）等等。
同时，在函数调用的参数中可以使用任何表达式。
然后，ExprStmt 又包含一个 CallExpr，它是我们实际的函数调用。里面又包括几个部分，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。
但是至此，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。这里，我们将一个文本字符串传递给函数，因而它由一个类型为 STRING 的 BasicLit 表示。
显然，AST 包含了许多信息，我们不仅可以分析出以上结论，还可以进一步检查 AST 并查找文件中的所有函数调用。下面，我们将使用 go/ast 包中的 Inspect 函数来递归地遍历树，并分析所有节点的信息。
package main
import (
"fmt"
"go/ast"
"go/parser"
"go/printer"
"go/token"
"os"
)
func main() {
src := []byte(`
package main
import "fmt"
func main() {
fmt.Println("Hello, world!")
}
`)
fset := token.NewFileSet()
file, err := parser.ParseFile(fset, "", src, 0)
if err != nil {
fmt.Println(err)
}
ast.Inspect(file, func(n ast.Node) bool {
call, ok := n.(*ast.CallExpr)
if !ok {
return true
}
printer.Fprint(os.Stdout, fset, call.Fun)
return false
})
}
输出：
fmt.Println
上面代码的作用是查找所有节点以及它们是否为 *ast.CallExpr 类型，上面也说过这种类型是函数调用。如果是，则使用 go/printer 包打印 Fun 中存在的函数的名称。
构建出 AST 后，将使用 GOPATH 或者在 Go 1.11 及更高版本中的 modules(https://github.com/golang/go/wiki/Modules) 解析所有导入。然后，执行类型检查，并做一些让程序运行更快的初级优化。
代码生成
在解析导入并做了类型检查之后，我们可以确认程序是合法的 Go 代码，然后就走到将 AST 转换为（伪）目标机器码的过程。
此过程的第一步是将 AST 转换为程序的低级表示，特别是转换为 静态单赋值（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，会使应用优化变得更容易，其中最重要的是在使用变量之前总是定义变量，并且每个变量只分配一次。
在生成 SSA 的初始版本之后，将执行一些优化。这些优化适用于某些代码，可以使处理器执行起来更简单且更快速。例如，可以做 死码消除(https://segmentfault.com/a/1190000016354799#articleHeader10)。还有比如可以删除某些 nil 检查，因为编译器可以证明这些检查永远不会出错。
现在通过最简单的例子来说明 SSA 和一些优化过程：
package main
import "fmt"
func main() {
fmt.Println(2)
}
如你所见，此程序只有一个函数和一个导入。它会在运行时打印 2。但是，此例足以让我们了解SSA。
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跟踪的函数，在本例中为main 函数。我们还需要将 -S 标识传递给编译器，这样它就会打印代码并创建一个HTML文件。我们还将编译Linux 64位的文件，以确保机器代码与您在这里看到的相同。
在终端执行下面的命令：
GOSSAFUNC=main GOOS=linux GOARCH=amd64 go build \-gcflags \-S main.go
会在终端打印出所有的 SSA，同时也会生成一个交互式的 ssa.html 文件，我们用浏览器打开它。
当你打开 ssa.html 时，将显示很多阶段，其中大部分都已折叠。start 阶段是从 AST 生成的SSA；lower 阶段将非机器特定的 SSA 转换为机器特定的 SSA，最后的 genssa 就是生成的机器代码。
start 阶段的代码如下：
b1:
v1 = InitMem <mem>
v2 = SP <uintptr>
v3 = SB <uintptr>
v4 = ConstInterface <interface {}>
v5 = ArrayMake1 <[1]interface {}> v4
v6 = VarDef <mem> {.autotmp_0} v1
v7 = LocalAddr <*[1]interface {}> {.autotmp_0} v2 v6
v8 = Store <mem> {[1]interface {}} v7 v5 v6
v9 = LocalAddr <*[1]interface {}> {.autotmp_0} v2 v8
v10 = Addr <*uint8> {type.int} v3
v11 = Addr <*int> {"".statictmp_0} v3
v12 = IMake <interface {}> v10 v11
v13 = NilCheck <void> v9 v8
v14 = Const64 <int> [0]
v15 = Const64 <int> [1]
v16 = PtrIndex <*interface {}> v9 v14
v17 = Store <mem> {interface {}} v16 v12 v8
v18 = NilCheck <void> v9 v17
v19 = IsSliceInBounds <bool> v14 v15
v24 = OffPtr <*[]interface {}> [0] v2
v28 = OffPtr <*int> [24] v2
If v19 → b2 b3 (likely) (line 6)
b2: ← b1
v22 = Sub64 <int> v15 v14
v23 = SliceMake <[]interface {}> v9 v22 v22
v25 = Copy <mem> v17
v26 = Store <mem> {[]interface {}} v24 v23 v25
v27 = StaticCall <mem> {fmt.Println} [48] v26
v29 = VarKill <mem> {.autotmp_0} v27
Ret v29 (line 7)
b3: ← b1
v20 = Copy <mem> v17
v21 = StaticCall <mem> {runtime.panicslice} v20
Exit v21 (line 6)
这个简单的程序就已经产生了相当多的 SSA（总共35行）。然而，很多都是引用，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，可以点击来查看它被使用的位置。b 是块，这里有三块：b1，b2，b3。b1 始终会执行，b2 和 b3 是条件块，满足条件才执行。
我们来看 b1 结尾处的 If v19 → b2 b3 (likely)。单击该行中的 v19 可以查看它定义的位置。可以看到它定义为 IsSliceInBounds <bool> v14 v15，通过 Go 编译器源代码，我们知道 IsSliceInBounds 的作用是检查 0 <= arg0 <= arg1。然后单击 v14 和 v15 看看在哪定义的，我们会看到 v14 = Const64 <int> [0]，Const64 是一个常量 64 位整数。v15 定义一样，放在 args1 的位置。所以，实际执行的是 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]。结果就是，在 opt deadcode 阶段，b3 条件块被删除了，因为永远也不会执行到 b3。
下面来看一下 Go 编译器在把 SSA 转换为 机器特定的SSA 之后所做的另一个更简单的优化，基于amd64体系结构的机器代码。下面，我们将比较 lower 和 lowered deadcode。lower：
b1:
BlockInvalid (6)
b2:
v2 (?) = SP <uintptr>
v3 (?) = SB <uintptr>
v10 (?) = LEAQ <*uint8> {type.int} v3
v11 (?) = LEAQ <*int> {"".statictmp_0} v3
v15 (?) = MOVQconst <int> [1]
v20 (?) = MOVQconst <uintptr> [0]
v25 (?) = MOVQconst <*uint8> [0]
v1 (?) = InitMem <mem>
v6 (6) = VarDef <mem> {.autotmp_0} v1
v7 (6) = LEAQ <*[1]interface {}> {.autotmp_0} v2
v9 (6) = LEAQ <*[1]interface {}> {.autotmp_0} v2
v16 (+6) = LEAQ <*interface {}> {.autotmp_0} v2
v18 (6) = LEAQ <**uint8> {.autotmp_0} [8] v2
v21 (6) = LEAQ <**uint8> {.autotmp_0} [8] v2
v30 (6) = LEAQ <*int> [16] v2
v19 (6) = LEAQ <*int> [8] v2
v23 (6) = MOVOconst <int128> [0]
v8 (6) = MOVOstore <mem> {.autotmp_0} v2 v23 v6
v22 (6) = MOVQstore <mem> {.autotmp_0} v2 v10 v8
v17 (6) = MOVQstore <mem> {.autotmp_0} [8] v2 v11 v22
v14 (6) = MOVQstore <mem> v2 v9 v17
v28 (6) = MOVQstoreconst <mem> [val=1,off=8] v2 v14
v26 (6) = MOVQstoreconst <mem> [val=1,off=16] v2 v28
v27 (6) = CALLstatic <mem> {fmt.Println} [48] v26
v29 (5) = VarKill <mem> {.autotmp_0} v27
Ret v29 (+7)
在HTML中，某些行是灰色的，这意味着它们将在下一个阶段中被删除或修改。
例如，v15 (?) = MOVQconst <int> [1] 显示为灰色。点击 v15，我们看到它在其他地方都没有使用，而 MOVQconst 基本上与我们之前看到的 Const64 相同，只针对amd64的特定机器。我们把 v15 设置为1。但是，v15 在其他地方都没有使用，所以它是无用的（死的）代码并且可以消除。
Go 编译器应用了很多这类优化。因此，虽然 AST 生成的初始 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有可能发生优化。
如果你有兴趣了解 Go 编译器中有关 SSA 的更多信息，请查看 Go 编译器的 SSA 源代码(https://github.com/golang/go/tree/master/src/cmd/compile/internal/ssa)。
这里定义了所有的操作以及优化。
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撑。要了解有关 Go 编译器的更多信息，源代码的 README(https://github.com/golang/go/tree/master/src/cmd/compile) 是不错的选择。
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