4.1 从代码到二进制：Go程序的编译过程

本节我们将一起探索，Go程序在编译的时候都发生了什么、都做了哪些工作？通过本节的学习将对我们的日常编程规范、习惯起到一个正向的作用。

关于编译过程，我们将会从词法分析、语法分析、语义分析以及中间代码生成等多个方面进行讲解。

词法分析

词法分析是编译的第一阶段。在这一阶段中，编译器会将代码转换为一系列标记，在Go语言中叫tokens。

在这个阶段，编译器会去除空格、注释，并标记出各种代码元素，如关键字（func、var 等）、标识符、字面量（数字、字符串等）。

我们可以通过源码cmd/compile/internal/syntax查看到相应的实现。简单来说，就是将我们的代码进行一个整理，整理为Go语言后续编译可识别的代码。

我们以一个例子来说明，看一下编译var a int = 10时会发生什么。

  • 首先分析器会逐字符的读取到我们的源码var a int =10，这时候读取到的是v、a、 r、i、n、t、=、1、0

  • 下一步根据关键字进行匹配，将会得到结果：var、a、int、10

  • 在上一步中已经将这一句代码整理得到了几个关键的元素，那么下一步就是针对这几个元素作标记。如下所示：

      var:
  标记类型：keyword（关键字）
  代表 Go 语言中的变量声明关键字 var。

  a:
  标记类型：identifier（标识符）
  代表变量名 a。

  int:
  标记类型：type（类型）
  代表变量的类型 int。

  =:
  标记类型：operator（操作符）
  代表赋值操作符 =。

  10:
  标记类型：integer（整数常量）
  代表整数常量 10。

  • 标记完成以后，将会进一步整合形成token格式，如下所示：

      [
      {Token: "var", Type: "keyword"},
      {Token: "a", Type: "identifier"},
      {Token: "int", Type: "type"},
      {Token: "=", Type: "operator"},
      {Token: "10", Type: "integer"}
  ]

通过上面的例子，我们大概可以知道这一步的真正作用。简单来说就是将源代码转换为编译器需要的类型。

语法、语义分析

在词法分析后，下一步就会进入到语法分析中。语法分析的主要作用是验证语法的正确性、生成语法树、报告语法错误。

我们继续上文的案例，如下所示：

  • 语法分析接收到tokens结果后，根据规则检查每一个类型定义是否正确、符号是否正确

  • 检查通过后生成语法树，如下所示：

      VarDecl
  ├── Identifier: "a"
  ├── Type: "int"
  └── Value: 10

从上面的示例我们大概可以看出，语法分析会将之前的代码进一步转换，转换为了语法数的结构，这也就是为下一步的工作继续做准备。

假如我们代码是这样的：a = b + c * d，经过词法分析后输出如下：

[
    {Token: "a", Type: "identifier"},
    {Token: "=", Type: "operator"},
    {Token: "b", Type: "identifier"},
    {Token: "+", Type: "operator"},
    {Token: "c", Type: "identifier"},
    {Token: "*", Type: "operator"},
    {Token: "d", Type: "identifier"}
]

那么经过语法分析后生成的语法树如下所示：

Assignment
├── Identifier: "a"
└── Expression: "+"
    ├── Left: "b"
    └── Expression: "*"
        ├── Left: "c"
        └── Right: "d"

这个语法树表示了表达式a = b + (c * d)的结构，显示了乘法操作比加法操作优先级更高，并明确了赋值操作的目标是a。

总的来说，就是语法分析器会将代码进一步转换为一个树结构，方便后续的进一步编译操作。

中间代码生成

我们知道，最终编译形成的程序都是机器码。那么中间代码其实就是指源代码与机器码之间的一个节点。

这个节点的代码不属于源代码，也不是机器码，而是介于两者之间的，独立于机器架构的，仅仅只是单纯的代码表示。

该阶段可以从源代码包：cmd/compile/internal/ir去查看学习。

比如我们的代码如下：

func main() {
    a := 10
    b := 20
    c := a + b
}

那么中间代码可能变成这样：

t1 = 10
t2 = 20
t3 = t1 + t2

t1对应变量a的赋值，t2对应变量b的赋值，t3对应变量c的赋值和a + b的计算结果。

在比如我们上文提到的：a = b + (c * d)，可能中间代码会变成这样：

t1 = c * d
t2 = b + t1
a = t2

优化

优化阶段，指的是编译器对之前生成的中间代码进行优化，以提高程序的执行效率。

优化的目标包括消除冗余代码、简化表达式、减少内存访问等。

优化可以分为局部优化和全局优化，分别针对局部代码块和整个程序进行优化。

这一部分的实现代码可以在源码包：cmd/compile/internal/ssa中查看学习。

Go语言中优化主要包括局部优化、全局优化、循环优化以及内存优化等方面。在这里我们主要说一下局部优化，方便我们理解这一阶段的工作。

  • 常量折叠：在编译时计算常量表达式的结果，以减少运行时的计算。例如，将3 + 5直接替换为8。

      Original: a = 3 + 5
  Optimized: a = 8

  • 常量传播：将已知的常量值传播到它们使用的地方，减少冗余计算。

      Original: a = 8
         b = a + 4
  Optimized: b = 12

  • 死代码消除：删除永远不会被执行的代码或计算结果不会被使用的代码。

      Original: a = 3
         b = a * 2
         c = 4
         b = a + c
  Optimized: a = 3
          b = 7

通过上面的例子我们可以看出，这一阶段其实就是简化、优化代码。

比如说一些在代码中的计算，如果结果与运行时无关联，是固定的，那么在编译阶段就会计算完成，减少运行时的计算消耗。

代码生成、汇编与链接

这一部分也是比较重要的一个阶段，在这个阶段就会将之前的优化代码转换，形成最终的机器码。

在这一部分包含汇编与链接两个部分，可以在源码包：cmd/asm、cmd/link查看学习。

在这里我们简单的说一下执行步骤：

  • 编译器将源代码编译生成中间代码，并进一步生成汇编代码。

  • 汇编器将汇编代码转化为目标文件，包含机器指令和符号表。

  • 链接器将多个目标文件和库文件链接在一起，解决符号引用，形成最终的可执行文件。

小结

Go程序的编译过程包括多个阶段，从源代码的词法分析、语法分析到最终的代码生成和可执行文件的生成。每个阶段都负责不同的任务，确保源代码被正确编译为高效的机器码。

流程为：

词法分析 -> 语法分析 -> 语义分析 -> 中间代码生成 -> 优化 -> 代码生成 -> 汇编与链接

关于本节总结如下：

  • 词法分析将源代码整合为标准代码流

  • 语法分析检查代码流语法，形成代码树

  • 语义分析检查代码语义是否正确、逻辑是否合理

  • 中间代码生成对代码进行了进一步的转换

  • 优化模块对代码检查优化，提升代码性能

  • 优化后将中间代码转换为汇编代码或机器码

  • 最终通过链接形成最终可执行文件

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