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浅谈 Go 语言的汇编
命令默认跑在 MacBook Pro (15-inch, 2018)，Intel Core i7
go version go1.13.1 darwin/amd64
因为我之前没有学过汇编，所以文中难免有错误或者疏漏的地方，如果你发现有疑问，尽情的提出来吧。
Assembler is how you talk to machine in the lowest level. – Rob Pike
当然，学习和理解 Go 的汇编并不是为了手撸汇编，而是给我们一种了解语言的工具。这是我身边同学的两个问题：
- new 操作符和初始化结构体的异同 ```go type Person struct { Name string }
// what’s the difference between new(Person)
// and &Person{}
2. Go 的结构体 method 和普通的参数异同
```go
// what's the difference between
func (p *Person) name() string {
return p.Name
}
// and
func name(p *Person) string {
return p.Name
}
我们尝试用这个工具来解释一下。
准备知识
“伪”汇编
Go tool 生成的汇编是基于 plan 9, 但不是真正可以机器执行的汇编，是一层对于不同汇编语言的抽象，比如 MOV 指令，在最终可能会被翻译成 clear 或者 load 指令。Rob Pike 在 GopherCon 2016 的 Go 汇编设计有详细介绍，这层额外的抽象帮助 Go 很容易的迁移到不同的平台。
X86 栈顶
Intel X86 架构的栈是头朝下的结构
栈是用 SUB 指令向下增加，用 ADD 指令缩小。
寄存器
这一部分是最让我困惑的，特别是看了官方文档后，会更加无从下手。我觉得说的比较清楚的是go-internals，
- SB: 虚拟寄存器，可以视为内存，保存的是方法或者结构体等全局符号。[^1]: https://golang.org/doc/asm
- BP
- SP
举个例子
package main
//go:noinline
func add(a, b int32) int32 {
return a + b
}
func main() {
add(1, 2)
}
在命令行中调用go tool compile -S main.go, 裁剪掉不重要的内容后的输出如下
"".add STEXT nosplit size=15 args=0x10 locals=0x0
0x0000 00000 (main.go:4) TEXT "".add(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $0-16
0x0000 00000 (main.go:4) FUNCDATA $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
0x0000 00000 (main.go:4) FUNCDATA $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
0x0000 00000 (main.go:4) FUNCDATA $2, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
0x0000 00000 (main.go:5) PCDATA $0, $0
0x0000 00000 (main.go:5) PCDATA $1, $0
0x0000 00000 (main.go:5) MOVL "".b+12(SP), AX
0x0004 00004 (main.go:5) MOVL "".a+8(SP), CX
0x0008 00008 (main.go:5) ADDL CX, AX
0x000a 00010 (main.go:5) MOVL AX, "".~r2+16(SP)
0x000e 00014 (main.go:5) RET
"".main STEXT size=65 args=0x0 locals=0x18
0x0000 00000 (main.go:8) TEXT "".main(SB), ABIInternal, $24-0
0x000f 00015 (main.go:8) SUBQ $24, SP
0x0013 00019 (main.go:8) MOVQ BP, 16(SP)
0x0018 00024 (main.go:8) LEAQ 16(SP), BP
0x001d 00029 (main.go:8) FUNCDATA $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
0x001d 00029 (main.go:8) FUNCDATA $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
0x001d 00029 (main.go:8) FUNCDATA $2, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
0x001d 00029 (main.go:9) PCDATA $0, $0
0x001d 00029 (main.go:9) PCDATA $1, $0
0x001d 00029 (main.go:9) MOVQ $8589934593, AX
0x0027 00039 (main.go:9) MOVQ AX, (SP)
0x002b 00043 (main.go:9) CALL "".add(SB)
0x0030 00048 (main.go:10) MOVQ 16(SP), BP
0x0035 00053 (main.go:10) ADDQ $24, SP
0x0039 00057 (main.go:10) RET
一行一行来看
add
0x0000 00000 (main.go:4) TEXT "".add(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $0-16
- 0x0000: 当前指令相对于当前函数的偏移量
- TEXT ““.add(SB): TEXT 指令声明了 add 是 .text 段的一部分。SB 是一个虚拟寄存器，保存了静态基地址(static-base) 指针，即我们程序地址空间的开始地址。”“.add(SB) 表明我们的符号位于某个固定的相对地址空间起始处的偏移位置。
- $0-16: $0 代表即将分配的栈帧大小，而 $16 指定了调用方传入的参数大小。
FUNCDATA
PCDATA
- FUNCDATA 以及 PCDATA 指令包含有被垃圾回收所使用的信息；这些指令是被编译器加入的。
0x0000 00000 (main.go:5) MOVL "".b+12(SP), AX
0x0004 00004 (main.go:5) MOVL "".a+8(SP), CX
0x0008 00008 (main.go:5) ADDL CX, AX
- SP 是一个存放栈顶指针的寄存器，比较混淆的是 Go 的官方文档 有提到这是虚拟寄存器，但我比较倾向于 讨论 中的结论，这个是硬件寄存器。
- MOVL: L 这里代表 Long，4 字节的值
- 参数是反序传入，a 离栈顶更近 8(SP)， b 是 12(SP)
- ADDL CX, AX: 相加并最终存入 AX 中。
0x000a 00010 (main.go:5) MOVL AX, "".~r2+16(SP)
- 将 AX 的值保存到 16(SP)
0x000e 00014 (main.go:5) RET
- 方法调用方将返回地址保存在 0(SP)，RET 就是跳转到 0(SP) 中保存的地址
main
0x000f 00015 (main.go:8) SUBQ $24, SP
- SUBQ 增加栈的容量
FP: Frame pointer: arguments and locals.
PC: Program counter: jumps and branches.
SB: Static base pointer: global symbols.
SP: Stack pointer: top of stack.
TEXT 指令声明了 add 是 .text 段的一部分
SB 是虚拟寄存器，存放的是 static base 静态基指针
$0 栈大小 $16 参数大小 (caller)
8 byte for arguments 8 byte for return value (内存对齐 memory alignment)
SP stack pointer BP base frame
实际上, go 没有 FP, 而 SP 也是实际 x86 中 stack head down 模式
0(SP) return pointer 8(SP) a 12(SP) b 16(SP) return value
验证一下这个猜想
package main
//go:noinline
func add(a, b int32) int32 {
return a+b
}
func main() {
x := add(1, 2)
println(x)
}
"".main STEXT size=104 args=0x0 locals=0x20
0x0000 00000 (main.go:8) TEXT "".main(SB), ABIInternal, $32-0
0x0000 00000 (main.go:8) MOVQ (TLS), CX
0x0009 00009 (main.go:8) CMPQ SP, 16(CX)
0x000d 00013 (main.go:8) JLS 97
0x000f 00015 (main.go:8) SUBQ $32, SP
0x0013 00019 (main.go:8) MOVQ BP, 24(SP)
0x0018 00024 (main.go:8) LEAQ 24(SP), BP
0x001d 00029 (main.go:8) FUNCDATA $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
0x001d 00029 (main.go:8) FUNCDATA $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
0x001d 00029 (main.go:8) FUNCDATA $2, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
0x001d 00029 (main.go:9) PCDATA $0, $0
0x001d 00029 (main.go:9) PCDATA $1, $0
0x001d 00029 (main.go:9) MOVQ $8589934593, AX
0x0027 00039 (main.go:9) MOVQ AX, (SP)
0x002b 00043 (main.go:9) CALL "".add(SB)
0x0030 00048 (main.go:9) MOVLQSX 8(SP), AX
0x0035 00053 (main.go:9) MOVQ AX, ""..autotmp_1+16(SP)
0x003a 00058 (main.go:10) CALL runtime.printlock(SB)
0x003f 00063 (main.go:10) MOVQ ""..autotmp_1+16(SP), AX
0x0044 00068 (main.go:10) MOVQ AX, (SP)
0x0048 00072 (main.go:10) CALL runtime.printint(SB)
0x004d 00077 (main.go:10) CALL runtime.printnl(SB)
0x0052 00082 (main.go:10) CALL runtime.printunlock(SB)
0x0057 00087 (main.go:11) MOVQ 24(SP), BP
0x005c 00092 (main.go:11) ADDQ $32, SP
0x0060 00096 (main.go:11) RET
关注这一行 MOVLQSX 8(SP), AX 验证了前面的猜想
再回到最开始的问题
&Person{} 和 new(Person) 是一样的
0x001d 00029 (main.go:14) MOVL $0, ""..autotmp_3+12(SP)
0x0025 00037 (main.go:14) MOVL $0, ""..autotmp_3+12(SP)
0x002d 00045 (main.go:15) MOVL $0, ""..autotmp_4+8(SP)
"".(*Person).name STEXT nosplit size=1 args=0x8 locals=0x0
0x0000 00000 (main.go:7) TEXT "".(*Person).name(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $0-8
0x0000 00000 (main.go:7) FUNCDATA $0, gclocals·2a5305abe05176240e61b8620e19a815(SB)
0x0000 00000 (main.go:7) FUNCDATA $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
0x0000 00000 (main.go:7) FUNCDATA $2, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
0x0000 00000 (main.go:8) RET
0x0000 c3 .
"".name STEXT nosplit size=1 args=0x8 locals=0x0
0x0000 00000 (main.go:11) TEXT "".name(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $0-8
0x0000 00000 (main.go:11) FUNCDATA $0, gclocals·2a5305abe05176240e61b8620e19a815(SB)
0x0000 00000 (main.go:11) FUNCDATA $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
0x0000 00000 (main.go:11) FUNCDATA $2, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
0x0000 00000 (main.go:12) RET
0x0000 c3 .
"".main STEXT size=74 args=0x0 locals=0x10
0x0000 00000 (main.go:20) TEXT "".main(SB), ABIInternal, $16-0
0x0000 00000 (main.go:20) MOVQ (TLS), CX
0x0009 00009 (main.go:20) CMPQ SP, 16(CX)
0x000d 00013 (main.go:20) JLS 67
0x000f 00015 (main.go:20) SUBQ $16, SP
0x0013 00019 (main.go:20) MOVQ BP, 8(SP)
0x0018 00024 (main.go:20) LEAQ 8(SP), BP
0x001d 00029 (main.go:20) FUNCDATA $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
0x001d 00029 (main.go:20) FUNCDATA $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
0x001d 00029 (main.go:20) FUNCDATA $2, gclocals·9fb7f0986f647f17cb53dda1484e0f7a(SB)
0x001d 00029 (main.go:22) PCDATA $0, $1
0x001d 00029 (main.go:22) PCDATA $1, $0
0x001d 00029 (main.go:22) LEAQ ""..autotmp_2+8(SP), AX
0x0022 00034 (main.go:22) PCDATA $0, $0
0x0022 00034 (main.go:22) MOVQ AX, (SP)
0x0026 00038 (main.go:22) CALL "".(*Person).name(SB)
0x002b 00043 (main.go:23) PCDATA $0, $1
0x002b 00043 (main.go:23) LEAQ ""..autotmp_2+8(SP), AX
0x0030 00048 (main.go:23) PCDATA $0, $0
0x0030 00048 (main.go:23) MOVQ AX, (SP)
0x0034 00052 (main.go:23) CALL "".name(SB)
0x0039 00057 (main.go:24) MOVQ 8(SP), BP
0x003e 00062 (main.go:24) ADDQ $16, SP
0x0042 00066 (main.go:24) RET
//go:noinline
func (p *Person) name(age int32) bool{
return p.age == age
}
"".(*Person).name STEXT nosplit size=17 args=0x18 locals=0x0
0x0000 00000 (main.go:8) TEXT "".(*Person).name(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $0-24
0x0000 00000 (main.go:8) FUNCDATA $0, gclocals·1a65e721a2ccc325b382662e7ffee780(SB)
0x0000 00000 (main.go:8) FUNCDATA $1, gclocals·69c1753bd5f81501d95132d08af04464(SB)
0x0000 00000 (main.go:8) FUNCDATA $2, gclocals·568470801006e5c0dc3947ea998fe279(SB)
0x0000 00000 (main.go:9) PCDATA $0, $0
0x0000 00000 (main.go:9) PCDATA $1, $0
0x0000 00000 (main.go:9) MOVL "".age+16(SP), AX
0x0004 00004 (main.go:9) PCDATA $0, $1
0x0004 00004 (main.go:9) PCDATA $1, $1
0x0004 00004 (main.go:9) MOVQ "".p+8(SP), CX
0x0009 00009 (main.go:9) PCDATA $0, $0
0x0009 00009 (main.go:9) CMPL (CX), AX
0x000b 00011 (main.go:9) SETEQ "".~r1+24(SP)
0x0010 00016 (main.go:9) RET
- https://golang.org/doc/asm
- https://eli.thegreenplace.net/2011/02/04/where-the-top-of-the-stack-is-on-x86/
- https://eli.thegreenplace.net/2011/09/06/stack-frame-layout-on-x86-64
- https://www.quora.com/What-is-a-quadword-in-64-bit-assembly-language#
- http://www.mit.edu/afs.new/sipb/project/golang/doc/asm.html