编译原理

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编译原理

kevinyan815 opened this issue 3 years ago · comments

所有内容摘选自 https://draveness.me/golang/docs/part1-prerequisite/ch02-compile/golang-compile-intro

学过编译原理的人可能听说过编译器的前端和后端，编译器的前端一般承担着词法分析、语法分析、类型检查和中间代码生成几部分工作，而编译器后端主要负责目标代码的生成和优化，也就是将中间代码翻译成目标机器能够运行的二进制机器码。

Go 的编译器在逻辑上可以被分成四个阶段：词法与语法分析、类型检查和 AST 转换、通用 SSA 生成和最后的机器代码生成，在这一节我们会使用比较少的篇幅分别介绍这四个阶段做的工作，后面的章节会具体介绍每一个阶段的具体内容。

词法与语法分析

所有的编译过程其实都是从解析代码的源文件开始的，词法分析的作用就是解析源代码文件，它将文件中的字符串序列转换成 Token 序列，方便后面的处理和解析，我们一般会把执行词法分析的程序称为词法解析器（lexer）。

而语法分析的输入是词法分析器输出的 Token 序列，语法分析器会按照顺序解析 Token 序列，该过程会将词法分析生成的 Token 按照编程语言定义好的文法（Grammar）自下而上或者自上而下的规约，每一个 Go 的源代码文件最终会被归纳成一个 SourceFile 结构5：

SourceFile = PackageClause ";" { ImportDecl ";" } { TopLevelDecl ";" } .

词法分析会返回一个不包含空格、换行等字符的 Token 序列，例如：package, json, import, (, io, ), …，而语法分析会把 Token 序列转换成有意义的结构体，即语法树：

"json.go": SourceFile {
    PackageName: "json",
    ImportDecl: []Import{
        "io",
    },
    TopLevelDecl: ...
}

Token 到上述抽象语法树（AST）的转换过程会用到语法解析器，每一个 AST 都对应着一个单独的 Go 语言文件，这个抽象语法树中包括当前文件属于的包名、定义的常量、结构体和函数等。

语法解析的过程中发生的任何语法错误都会被语法解析器发现并将消息打印到标准输出上，整个编译过程也会随着错误的出现而被中止。

类型检查

当拿到一组文件的抽象语法树之后，Go 语言的编译器会对语法树中定义和使用的类型进行检查，类型检查会按照以下的顺序分别验证和处理不同类型的节点：

常量、类型和函数名及类型；
变量的赋值和初始化；
函数和闭包的主体；
哈希键值对的类型；
导入函数体；
外部的声明；

通过对整棵抽象语法树的遍历，我们在每个节点上都会对当前子树的类型进行验证，以保证节点不存在类型错误，所有的类型错误和不匹配都会在这一个阶段被暴露出来，其中包括：结构体对接口的实现。

类型检查阶段不止会对节点的类型进行验证，还会展开和改写一些内建的函数，例如 make 关键字在这个阶段会根据子树的结构被替换成 runtime.makeslice 或者 runtime.makechan 等函数。

图 2-4 类型检查阶段对 make 进行改写

类型检查这一过程在整个编译流程中还是非常重要的，Go 语言的很多关键字都依赖类型检查期间的展开和改写。

中间代码生成

类型检查这一过程在整个编译流程中还是非常重要的，Go 语言的很多关键字都依赖类型检查期间的展开和改写

当我们将源文件转换成了抽象语法树、对整棵树的语法进行解析并进行类型检查之后，就可以认为当前文件中的代码不存在语法错误和类型错误的问题了，Go 语言的编译器就会将输入的抽象语法树转换成中间代码。

在类型检查之后，编译器会通过 cmd/compile/internal/gc.compileFunctions 编译整个 Go 语言项目中的全部函数，这些函数会在一个编译队列中等待几个 Goroutine 的消费，并发执行的 Goroutine 会将所有函数对应的抽象语法树转换成中间代码。

由于 Go 语言编译器的中间代码使用了 SSA 的特性，所以在这一阶段我们能够分析出代码中的无用变量和片段并对代码进行优化，中间代码生成一节会详细介绍中间代码的生成过程并简单介绍 Go 语言中间代码的 SSA 特性。

机器码生成

Go 语言源代码的 src/cmd/compile/internal 目录中包含了很多机器码生成相关的包，不同类型的 CPU 分别使用了不同的包生成机器码，其中包括 amd64、arm、arm64、mips、mips64、ppc64、s390x、x86 和 wasm，其中比较有趣的就是 WebAssembly（Wasm）7了。

作为一种在栈虚拟机上使用的二进制指令格式，它的设计的主要目标就是在 Web 浏览器上提供一种具有高可移植性的目标语言。Go 语言的编译器既然能够生成 Wasm 格式的指令，那么就能够运行在常见的主流浏览器中。

$ GOARCH=wasm GOOS=js go build -o lib.wasm main.go

我们可以使用上述的命令将 Go 的源代码编译成能够在浏览器上运行 WebAssembly 文件，当然除了这种新兴的二进制指令格式之外，Go 语言经过编译还可以运行在几乎全部的主流机器上。