汇编是深入理解 Go 的基础 | 青训营笔记

这是我参与「第五届青训营」笔记创作活动的第 16 天

Go 汇编

对于 Go 编译器而言，其输出的结果是一种抽象可移植的汇编代码，这种汇编（Go 的汇编是基于 Plan9 的汇编）并不对应某种真实的硬件架构。Go 的汇编器会使用这种伪汇编，再为目标硬件生成具体的机器指令。

伪汇编这一个额外层可以带来很多好处，最主要的一点是方便将 Go 移植到新的架构上。

相关的信息可以参考 Rob Pike 的 The Design of the Go Assembler。

要了解 Go 的汇编器最重要的是要知道 Go 的汇编器不是对底层机器的直接表示，即 Go 的汇编器没有直接使用目标机器的汇编指令。Go 汇编器所用的指令，一部分与目标机器的指令一一对应，而另外一部分则不是。这是因为编译器套件不需要汇编器直接参与常规的编译过程。

相反，编译器使用了一种半抽象的指令集，并且部分指令是在代码生成后才被选择的。汇编器基于这种半抽象的形式工作，所以虽然你看到的是一条 MOV 指令，但是工具链针对对这条指令实际生成可能完全不是一个移动指令，也许会是清除或者加载。也有可能精确的对应目标平台上同名的指令。概括来说，特定于机器的指令会以他们的本尊出现， 然而对于一些通用的操作，如内存的移动以及子程序的调用以及返回通常都做了抽象。细节因架构不同而不一样，我们对这样的不精确性表示歉意，情况并不明确。

汇编器程序的工作是对这样半抽象指令集进行解析并将其转变为可以输入到链接器的指令。

Go 汇编使用的是caller-save模式，被调用函数的入参参数、返回值都由调用者维护、准备。因此，当需要调用一个函数时，需要先将这些工作准备好，才调用下一个函数，另外这些都需要进行内存对齐，对齐的大小是 sizeof(uintptr)。

几个概念

在深入了解 Go 汇编之前，需要知道的几个概念：

• 栈：进程、线程、goroutine 都有自己的调用栈，先进后出（FILO）

• 栈帧：可以理解是函数调用时，在栈上为函数所分配的内存区域

• 调用者：caller，比如：A 函数调用了 B 函数，那么 A 就是调用者

• 被调者：callee，比如：A 函数调用了 B 函数，那么 B 就是被调者

Go 的核心寄存器

go 汇编中有 4 个核心的伪寄存器，这 4 个寄存器是编译器用来维护上下文、特殊标识等作用的：

寄存器	说明
SB(Static base pointer)	global symbols
FP(Frame pointer)	arguments and locals
PC(Program counter)	jumps and branches
SP(Stack pointer)	top of stack

• FP: 使用如 symbol+offset(FP)的方式，引用 callee 函数的入参参数。例如 arg0+0(FP)，arg1+8(FP)，使用 FP 必须加 symbol ，否则无法通过编译(从汇编层面来看，symbol 没有什么用，加 symbol 主要是为了提升代码可读性)。另外，需要注意的是：往往在编写 go 汇编代码时，要站在 callee 的角度来看(FP)，在 callee 看来，(FP)指向的是 caller 调用 callee 时传递的第一个参数的位置。假如当前的 callee 函数是 add，在 add 的代码中引用 FP，该 FP 指向的位置不在 callee 的 stack frame 之内。而是在 caller 的 stack frame 上，指向调用 add 函数时传递的第一个参数的位置，经常在 callee 中用symbol+offset(FP)来获取入参的参数值。
• SB: 全局静态基指针，一般用在声明函数、全局变量中。
• SP: 该寄存器也是最具有迷惑性的寄存器，因为会有伪 SP 寄存器和硬件 SP 寄存器之分。plan9 的这个伪 SP 寄存器指向当前栈帧第一个局部变量的结束位置(为什么说是结束位置，可以看下面寄存器内存布局图)，使用形如 symbol+offset(SP) 的方式，引用函数的局部变量。offset 的合法取值是[framesize, 0)，注意是个左闭右开的区间。假如局部变量都是 8 字节，那么第一个局部变量就可以用 localvar0-8(SP) 来表示。与硬件寄存器 SP 是两个不同的东西，在栈帧 size 为 0 的情况下，伪寄存器 SP 和硬件寄存器 SP 指向同一位置。手写汇编代码时，如果是 symbol+offset(SP)形式，则表示伪寄存器 SP。如果是 offset(SP)则表示硬件寄存器 SP。

务必注意：对于编译输出(go tool compile -S / go tool objdump)的代码来讲，所有的 SP 都是硬件 SP 寄存器，无论是否带 symbol（这一点非常具有迷惑性，需要慢慢理解。往往在分析编译输出的汇编时，看到的就是硬件 SP 寄存器）。

• PC: 实际上就是在体系结构的知识中常见的 pc 寄存器，在 x86 平台下对应 ip 寄存器，amd64 上则是 rip。除了个别跳转之外，手写 plan9 汇编代码时，很少用到 PC 寄存器。

  通过上面的讲解，想必已经对 4 个核心寄存器的区别有了一定的认识（或者是更加的迷惑、一头雾水）。那么，需要留意的是：如果是在分析编译输出的汇编代码时，要重点看 SP、SB 寄存器（FP 寄存器在这里是看不到的）。如果是，在手写汇编代码，那么要重点看 FP、SP 寄存器。

伪寄存器的内存模型

下图描述了栈桢与各个寄存器的内存关系模型，值得注意的是要站在 callee 的角度来看

有一点需要注意的是，return addr 也是在 caller 的栈上的，不过往栈上插 return addr 的过程是由 CALL 指令完成的（在分析汇编时，是看不到关于 addr 相关空间信息的。在分配栈空间时，addr 所占用空间大小不包含在栈帧大小内）。

在 AMD64 环境，伪 PC 寄存器其实是 IP 指令计数器寄存器的别名。伪 FP 寄存器对应的是 caller 函数的帧指针，一般用来访问 callee 函数的入参参数和返回值。伪 SP 栈指针对应的是当前 callee 函数栈帧的底部（不包括参数和返回值部分），一般用于定位局部变量。伪 SP 是一个比较特殊的寄存器，因为还存在一个同名的 SP 真寄存器，真 SP 寄存器对应的是栈的顶部。

在编写 Go 汇编时，当需要区分伪寄存器和真寄存器的时候只需要记住一点：伪寄存器一般需要一个标识符和偏移量为前缀，如果没有标识符前缀则是真寄存器。比如(SP)、+8(SP)没有标识符前缀为真 SP 寄存器，而 a(SP)、b+8(SP)有标识符为前缀表示伪寄存器。

几点说明

我们这里对容易混淆的几点简单进行说明：

• 伪 SP 和硬件 SP 不是一回事，在手写汇编代码时，伪 SP 和硬件 SP 的区分方法是看该 SP 前是否有 symbol。如果有 symbol，那么即为伪寄存器，如果没有，那么说明是硬件 SP 寄存器。
• 伪 SP 和 FP 的相对位置是会变的，所以不应该尝试用伪 SP 寄存器去找那些用 FP+offset 来引用的值，例如函数的入参和返回值。
• 官方文档中说的伪 SP 指向 stack 的 top，可能是有问题的。其指向的局部变量位置实际上是整个栈的栈底（除 caller BP 之外），所以说 bottom 更合适一些。
• 在 go tool objdump/go tool compile -S 输出的代码中，是没有伪 SP 和 FP 寄存器的，我们上面说的区分伪 SP 和硬件 SP 寄存器的方法，对于上述两个命令的输出结果是没法使用的。在编译和反汇编的结果中，只有真实的 SP 寄存器。

IA64 和 plan9 的对应关系

在 plan9 汇编里还可以直接使用的 amd64 的通用寄存器，应用代码层面会用到的通用寄存器主要是: rax, rbx, rcx, rdx, rdi, rsi, r8~r15 这些寄存器，虽然 rbp 和 rsp 也可以用，不过 bp 和 sp 会被用来管理栈顶和栈底，最好不要拿来进行运算。

plan9 中使用寄存器不需要带 r 或 e 的前缀，例如 rax，只要写 AX 即可: MOVQ $101, AX = mov rax, 101

常用操作指令

下面列出了常用的几个汇编指令（指令后缀Q 说明是 64 位上的汇编指令）

助记符	指令种类	用途	示例
MOVQ	传送	数据传送	MOVQ 48, AX // 把 48 传送到 AX
LEAQ	传送	地址传送	LEAQ AX, BX // 把 AX 有效地址传送到 BX
PUSHQ	传送	栈压入	PUSHQ AX // 将 AX 内容送入栈顶位置
POPQ	传送	栈弹出	POPQ AX // 弹出栈顶数据后修改栈顶指针
ADDQ	运算	相加并赋值	ADDQ BX, AX // 等价于 AX+=BX
SUBQ	运算	相减并赋值	SUBQ BX, AX // 等价于 AX-=BX
CMPQ	运算	比较大小	CMPQ SI CX // 比较 SI 和 CX 的大小
CALL	转移	调用函数	CALL runtime.printnl(SB) // 发起调用
JMP	转移	无条件转移指令	JMP 0x0185 //无条件转至 0x0185 地址处
JLS	转移	条件转移指令	JLS 0x0185 //左边小于右边，则跳到 0x0185

如何输出 Go 汇编

对于写好的 go 源码，生成对应的 Go 汇编，大概有下面几种

• 方法 1 先使用 go build -gcflags "-N -l" main.go 生成对应的可执行二进制文件 再使用 go tool objdump -s "main." main 反编译获取对应的汇编

反编译时"main." 表示只输出 main 包中相关的汇编"main.main" 则表示只输出 main 包中 main 方法相关的汇编

• 方法 2 使用 go tool compile -S -N -l main.go 这种方式直接输出汇编

• 方法 3 使用go build -gcflags="-N -l -S" main.go 直接输出汇编
  注意：在使用这些命令时，加上对应的 flag，否则某些逻辑会被编译器优化掉，而看不到对应完整的汇编代码

  -l 禁止内联 -N 编译时，禁止优化 -S 输出汇编代码