Go彙編

本節將介紹Go語言所使用到的彙編知識。在介紹Go彙編之前，我們先了解一些彙編語言，寄存器， AT&T 彙編語法，內存佈局等前置知識點。這些知識點與Go彙編或多或少有關係，瞭解這些才能更好的幫助我們去看懂Go彙編代碼。

前置知識

機器語言

機器語言是機器指令的集合。計算機的機器指令是一系列二進制數字。計算機將之轉換爲一系列高低電平脈衝信號來驅動硬件工作的。

彙編語言

機器指令是由0和1組成的二進制指令，難以編寫與記憶。彙編語言是二進制指令的文本形式，與機器指令一一對應，相當於機器指令的助記碼。比如，加法的機器指令是00000011寫成彙編語言就是ADD。彙編的指令格式由操作碼和操作數組成。

將助記碼標準化後稱爲assembly language，縮寫爲asm，中文譯爲彙編語言。

彙編語言大致可以分爲兩類：

1. 基於x86架構處理器的彙編語言

   • Intel 彙編
     • DOS(8086處理器), Windows
     • Windows 派系 -> VC 編譯器
   • AT&T 彙編
     • Linux, Unix, Mac OS, iOS(模擬器)
     • Unix派系 -> GCC編譯器

2. 基於ARM 架構處理器的彙編語言

   • ARM 彙編

數據單元大小

彙編中數據單元大小可分爲：

• 位 bit
• 半字節 Nibble
• 字節 Byte
• 字 Word 相當於兩個字節
• 雙字 Double Word 相當於2個字，4個字節
• 四字 Quadword 相當於4個字，8個字節

寄存器

寄存器是CPU中存儲數據的器件，起到數據緩存作用。內存按照內存層級(memory hierarchy)依次分爲寄存器，L1 Cache, L2 Cache, L3 Cache，其讀寫延遲依次增加，實現成本依次降低。

寄存器分類

一個CPU中有多個寄存器。每一個寄存器都有自己的名稱。寄存器按照種類分爲通用寄存器和控制寄存器。其中通用寄存器有可細分爲數據寄存器，指針寄存器，以及變址寄存器。

1979年因特爾推出8086架構的CPU，開始支持16位。爲了兼容之前8008架構的8位CPU，8086架構中AX寄存器高8位稱爲AH，低8位稱爲AL，用來對應8008架構的8位的A寄存器。後來隨着x86，以及x86-64 架構的CPU推出，開始支持32位以及64位，爲了兼容並保留了舊名稱，16位處理器的AX寄存器拓展成EAX(E代表拓展Extended的意思)。對於64位處理器的寄存器相應的RAX(R代表寄存器Register的意思)。其他指令也類似。

各個寄存器功能介紹：

進程在虛擬內存中佈局

32位系統下，虛擬內存空間大小爲4G，每一個進程獨立的運行在該虛擬內存空間上。從0x00000000開始的3G空間屬於用戶空間，剩下1G空間屬於內核空間。

用戶空間還可以進一步細分，每一部分叫做段(section)，大致可以分爲以下幾段：

• Stack 棧空間：用於函數調用中存儲局部變量、返回地址、返回值等，向下增長，變量存儲和使用過程叫做入棧和出棧過程
• Heap 堆空間：用於動態申請的內存，比如c語言通過malloc函數調用分配內存，其向上增長。指針型變量指向的一般就是這裏面的空間。存儲此空間的數據需要GC的。棧上變量scope是函數級的，而堆上變量屬於進程級的
• Bss段：未初始化數據區，存儲未初始化的全局變量或靜態變量
• Data段：初始化數據區，存儲已經初始化的全局變量或靜態變量
• Text段：代碼區，存儲的是源碼編譯後二進制指令

在32位系統中進程空間(即用戶空間）範圍爲0x00000000 ~ 0xbfffffff，內核空間範圍爲0xc0000000 ~ 0xffffffff, 實際上分配的進程空間並不是從0x00000000開始的，而是從0x08048000開始，到0xbfffffff結束。另外進程實際的esp指向的地址並不是從0xbfffffff開始的，因爲linux系統會在程序初始化前，將一些命令行參數及環境變量以及ELF輔助向量（ELF Auxiliary Vectors)等信息放到棧上。進程啓動時，其空間佈局如下所示（注意圖示中地址是從低地址到高地址的）：

stack pointer ->    [ argc = number of args ]     4
                    [ argv[0] (pointer) ]         4   (program name)
                    [ argv[1] (pointer) ]         4
                    [ argv[..] (pointer) ]        4 * x
                    [ argv[n - 1] (pointer) ]     4
                    [ argv[n] (pointer) ]         4   (= NULL)

                    [ envp[0] (pointer) ]         4
                    [ envp[1] (pointer) ]         4
                    [ envp[..] (pointer) ]        4
                    [ envp[term] (pointer) ]      4   (= NULL)

                    [ auxv[0] (Elf32_auxv_t) ]    8
                    [ auxv[1] (Elf32_auxv_t) ]    8
                    [ auxv[..] (Elf32_auxv_t) ]   8
                    [ auxv[term] (Elf32_auxv_t) ] 8   (= AT_NULL vector)

                    [ padding ]                   0 - 16

                    [ argument ASCIIZ strings ]   >= 0
                    [ environment ASCIIZ strings ]   >= 0
                    [ program name ASCIIZ strings ]   >= 0

  (0xbffffffc)      [ end marker ]                4   (= NULL)

  (0xc0000000)      < bottom of stack >           0   (virtual)

進程空間起始位置處存放命令行參數個數與參數信息，我們將在後面章節有討論到。

caller 與 callee

如果一個函數調用另外一個函數，那麼該函數被稱爲調用者函數，也叫做caller，而被調用的函數稱爲被調用者函數，也叫做callee。比如函數main中調用sum函數，那麼main就是caller，而sum函數就是callee。

棧幀

棧幀即stack frame，即未完成函數所持有的，獨立連續的棧區域，用來保存其局部變量，返回地址等信息。

函數棧

當前函數作爲caller，其本身擁有的棧幀以及其所有callee的棧幀，可以稱爲該函數的函數棧。一般情況下函數棧大小是固定的，如果超出棧空間，就會棧溢出異常。比如遞歸求斐波拉契，這時候可以使用尾調用來優化。用火焰圖分析性能時候，火焰越高，說明棧越深。

AT&T 彙編語法

AT＆T彙編語法是類Unix的系統上的標準彙編語法，比如gcc、gdb中默認都是使用AT&T彙編語法。AT&T彙編的指令格式如下：

instruction src dst

其中instruction是指令助記符，也叫操作碼，比如mov就是一個指令助記符，src是源操作數，dst是目的操作。

當引用寄存器時候，應在寄存器名稱加前綴%，對於常數，則應加前綴 $。

指令分類

數據傳輸指令

當使用mov指令傳遞數據時，數據的大小由mov指令的後綴決定。

movb $123, %eax // 1 byte
movw $123, %eax // 2 byte
movl $123, %eax // 4 byte
movq $123, %eax // 8 byte

算術運算指令

跳轉指令

棧與地址管理指令

lea 是load effective address的縮寫，用於將一個內存地址直接賦給目的操作數。

函數調用指令

警告 注意：

以上指令分類並不規範和完整，比如 call , ret 都可以算作無條件跳轉指令，這裏面是按照功能放在函數調用這一分類了。

Go 彙編

Go語言彙編器採用Plan9 彙編語法，該彙編語言是由貝爾實驗推出來的。下面說的Go彙編也就是Plan9 彙編。 不同於C語言彙編中彙編指令的寄存器都是代表硬件寄存器，Go彙編中的寄存器使用的是僞寄存器，可以把Go彙編考慮成是底層硬件彙編之上的抽象。

僞寄存器

Go彙編一共有4個僞寄存器：

• FP: Frame pointer: arguments and locals.

  • 使用形如 symbol+offset(FP) 的方式，引用函數的輸入參數。例如 arg0+0(FP)，arg1+8(FP)
  • offset是正值

• PC: Program counter: jumps and branches.

  • PC寄存器，在 x86 平臺下對應 ip 寄存器，amd64 上則是 rip

• SB: Static base pointer: global symbols.

  • 全局靜態基指針，一般用來聲明函數或全局變量

• SP: Stack pointer: top of stack.

  • SP寄存器指向當前棧幀的局部變量的開始位置，使用形如 symbol+offset(SP) 的方式，引用函數的局部變量。
  • offset是負值，offset 的合法取值是 [-framesize, 0)。
  • 手寫彙編代碼時，如果是 symbol+offset(SP) 形式，則表示僞寄存器 SP。如果是 offset(SP) 則表示硬件寄存器 SP。對於編譯輸出(go tool compile -S / go tool objdump)的代碼來講，所有的 SP 都是硬件寄存器 SP，無論是否帶 symbol。

函數聲明

                              參數大小+返回值大小
                                  | 
 TEXT pkgname·add(SB),NOSPLIT,$32-16
       |        |               |
      包名     函數名         棧幀大小

• TEXT指令聲明瞭pagname.add是在.text段

• pkgname·add中的·，是一個 unicode 的中點。在程序被鏈接之後，所有的中點·都會被替換爲點號.，所以通過 GDB 調試打斷點時候，應該是 b pagname.add

• (SB): SB 是一個虛擬寄存器，保存了靜態基地址(static-base) 指針，即我們程序地址空間的開始地址。 "".add(SB) 表明我們的符號add位於某個固定的相對地址空間起始處的偏移位置

  objdump -j .text -t test | grep 'main.add' # 可獲得main.add的絕對地址
  

• NOSPLIT: 表明該函數內部不進行棧分裂邏輯處理，可以避免CPU資源浪費。關於棧分裂會在調度器章節介紹

• $32-16: $32代表即將分配的棧幀大小；而$16指定了傳入的參數與返回值的大小

函數調用棧

Go彙編中函數調用的參數以及返回值都是由棧傳遞和保存的，這部分空間由caller在其棧幀(stack frame)上提供。Go彙編中沒有使用PUSH/POP指令進行棧的伸縮處理，所有棧的增長和收縮是通過在棧指針寄存器SP上分別執行加減指令來實現的。

                                                                                             
                                       caller                                                
                                 +------------------+                                        
                                 |                  |                                        
       +---------------------->  |------------------|                                        
       |                         | caller parent BP |                                        
       |                         |------------------|  <--------- BP(pseudo SP)              
       |                         |   local Var0     |                                        
       |                         |------------------|                                        
       |                         |   .........      |                                        
       |                         |------------------|                                        
       |                         |   local VarN     |                                        
       |                         |------------------|                                        
       |                         |   temporarily    |                                        
                                 |   unused space   |                                        
caller stack frame               |------------------|                                        
                                 |   callee retN    |                                        
       |                         |------------------|                                        
       |                         |   .........      |                                        
       |                         |------------------|                                        
       |                         |   callee ret0    |                                        
       |                         |------------------|                                        
       |                         |   callee argN    |                                        
       |                         |------------------|                                        
       |                         |   .........      |                                        
       |                         |------------------|                                        
       |                         |   callee arg0    |                                        
       |                         |------------------|  <--------- FP(virtual register)       
       |                         |   return addr    |                                        
       +---------------------->  |------------------|  <----------------------+              
                                 |   caller BP      |                         |              
          BP(pseudo SP) ------>  |------------------|                         |              
                                 |   local Var0     |                         |              
                                 |------------------|                         |              
                                 |   local Var1     |                                        
                                 |------------------|                   callee stack frame   
                                 |   .........      |                                        
                                 |------------------|                         |              
                                 |   local VarN     |                         |              
      SP(Real Register) ------>  |------------------|                         |              
                                 |                  |                         |              
                                 |                  |                         |              
                                 +------------------+  <----------------------+              
                                                                                             
                                      callee                                                 

關於Go彙編進一步知識，我們將在 《基礎篇-函數-函數調用棧 》 章節詳細探討說明，此處我們只需要大致瞭解下函數聲明、調用棧概念即可。

獲取Go彙編代碼

go代碼示例：

package main

import "fmt"

//go:noinline
func add(a, b int)  int {
    return a + b
}

func main() {
    c := add(3, 5)
    fmt.Println(c)
}

go tool compile

go tool compile -N -l -S main.go
GOOS=linux GOARCH=amd64 go tool compile -N -l -S main.go # 指定系統和架構

• -N選項指示禁止優化
• -l選項指示禁止內聯
• -S選項指示打印出彙編代碼

若要禁止指定函數內聯優化，也可以在函數定義處加上noinline編譯指示：

//go:noinline
func add(a, b int)  int {
    return a + b
}

go tool objdump

方法1： 根據目標文件反編譯出彙編代碼

go tool compile -N -l main.go # 生成main.o
go tool objdump main.o
go tool objdump -s "main.(main|add)" ./test # objdump支持搜索特定字符串

方法2： 根據可執行文件反編譯出彙編代碼

go build -gcflags="-N -l" main.go -o test
go tool objdump main.o

go build -gcflags -S

go build -gcflags="-N -l -S"  main.go

其他方法

• objdump命令
• go編譯器：gccgo
• 在線轉換匯編代碼：godbolt

進一步閱讀

• Go官方：A Quick Guide to Go's Assembler
• plan9 assembly 完全解析
• x86 Assembly book
• What is an ABI?