3.1 快速入门

Go汇编程序始终是幽灵一样的存在。我们将通过分析简单的Go程序输出的汇编代码,然后照猫画虎用汇编实现一个简单的输出程序。

3.1.1 实现和声明

Go汇编语言并不是一个独立的语言,因为Go汇编程序无法独立使用。Go汇编代码必须以Go包的方式组织,同时包中至少要有一个Go语言文件用于指明当前包名等基本包信息。如果Go汇编代码中定义的变量和函数要被其它Go语言代码引用,还需要通过Go语言代码将汇编中定义的符号声明出来。用于变量的定义和函数的定义Go汇编文件类似于C语言中的.c文件,而用于导出汇编中定义符号的Go源文件类似于C语言的.h文件。

3.1.2 定义整数变量

为了简单,我们先用Go语言定义并赋值一个整数变量,然后查看生成的汇编代码。

首先创建一个pkg.go文件,内容如下:

package pkg

var Id = 9527

代码中只定义了一个int类型的包级变量,并进行了初始化。然后用以下命令查看的Go语言程序对应的伪汇编代码:

$ go tool compile -S pkg.go
"".Id SNOPTRDATA size=8
  0x0000 37 25 00 00 00 00 00 00                          '.......

其中go tool compile命令用于调用Go语言提供的底层命令工具,其中-S参数表示输出汇编格式。输出的汇编比较简单,其中"".Id对应Id变量符号,变量的内存大小为8个字节。变量的初始化内容为37 25 00 00 00 00 00 00,对应十六进制格式的0x2537,对应十进制为9527。SNOPTRDATA是相关的标志,其中NOPTR表示数据中不包含指针数据。

以上的内容只是目标文件对应的汇编,和Go汇编语言虽然相似当并不完全等价。Go语言官网自带了一个Go汇编语言的入门教程,地址在:https://golang.org/doc/asm

Go汇编语言提供了DATA命令用于初始化包变量,DATA命令的语法如下:

DATA symbol+offset(SB)/width, value

其中symbol为变量在汇编语言中对应的标识符,offset是符号开始地址的偏移量,width是要初始化内存的宽度大小,value是要初始化的值。其中当前包中Go语言定义的符号symbol,在汇编代码中对应·symbol,其中“·”中点符号为一个特殊的unicode符号。

我们采用以下命令可以给Id变量初始化为十六进制的0x2537,对应十进制的9527(常量需要以美元符号$开头表示):

DATA ·Id+0(SB)/1,$0x37
DATA ·Id+1(SB)/1,$0x25

变量定义好之后需要导出以供其它代码引用。Go汇编语言提供了GLOBL命令用于将符号导出:

GLOBL symbol(SB), width

其中symbol对应汇编中符号的名字,width为符号对应内存的大小。用以下命令将汇编中的·Id变量导出:

GLOBL ·Id, $8

现在已经初步完成了用汇编定义一个整数变量的工作。

为了便于其它包使用该Id变量,我们还需要在Go代码中声明该变量,同时也给变量指定一个合适的类型。修改pkg.go的内容如下:

package pkg

var Id int

现状Go语言的代码不再是定义一个变量,语义变成了声明一个变量(声明一个变量时不能再进行初始化操作)。而Id变量的定义工作已经在汇编语言中完成了。

我们将完整的汇编代码放到pkg_amd64.s文件中:

GLOBL ·Id(SB),$8

DATA ·Id+0(SB)/1,$0x37
DATA ·Id+1(SB)/1,$0x25
DATA ·Id+2(SB)/1,$0x00
DATA ·Id+3(SB)/1,$0x00
DATA ·Id+4(SB)/1,$0x00
DATA ·Id+5(SB)/1,$0x00
DATA ·Id+6(SB)/1,$0x00
DATA ·Id+7(SB)/1,$0x00

文件名pkg_amd64.s的后缀名表示AMD64环境下的汇编代码文件。

虽然pkg包是用汇编实现,但是用法和之前的Go语言版本完全一样:

package main

import pkg "pkg包的路径"

func main() {
    println(pkg.Id)
}

对于Go包的用户来说,用Go汇编语言或Go语言实现并无任何区别。

3.1.3 定义字符串变量

在前一个例子中,我们通过汇编定义了一个整数变量。现在我们提高一点难度,尝试通过汇编定义一个字符串变量。虽然从Go语言角度看,定义字符串和整数变量的写法基本相同,但是字符串底层却有着比单个整数更复杂的数据结构。

实验的流程和前面的例子一样,还是先用Go语言实现类似的功能,然后观察分析生成的汇编代码,最后用Go汇编语言仿写。首先创建pkg.go文件,用Go语言定义字符串:

package pkg

var Name = "gopher"

然后用以下命令查看的Go语言程序对应的伪汇编代码:

$ go tool compile -S pkg.go
go.string."gopher" SRODATA dupok size=6
  0x0000 67 6f 70 68 65 72                                gopher
"".Name SDATA size=16
  0x0000 00 00 00 00 00 00 00 00 06 00 00 00 00 00 00 00  ................
  rel 0+8 t=1 go.string."gopher"+0

输出中出现了一个新的符号go.string."gopher",根据其长度和内容分析可以猜测是对应底层的"gopher"字符串数据。因为Go语言的字符串并不是值类型,Go字符串其实是一种只读的引用类型。如果多个代码中出现了相同的"gopher"只读字符串时,程序链接后可以引用的同一个符号go.string."gopher"。因此,该符号有一个SRODATA标志表示这个数据在只读内存段,dupok表示出现多个相同标识符的数据时只保留一个就可以了。

而真正的Go字符串变量Name对应的大小却只有16个字节了。其实Name变量并没有直接对应“gopher”字符串,而是对应16字节大小的reflect.StringHeader结构体:

type reflect.StringHeader struct {
    Data uintptr
    Len  int
}

从汇编角度看,Name变量其实对应的是reflect.StringHeader结构体类型。前8个字节对应底层真实字符串数据的指针,也就是符号go.string."gopher"对应的地址。后8个字节对应底层真实字符串数据的有效长度,这里是6个字节。

现在创建pkg_amd64.s文件,尝试通过汇编代码重新定义并初始化Name字符串:

GLOBL ·NameData(SB),$8
DATA  ·NameData(SB)/8,$"gopher"

GLOBL ·Name(SB),$16
DATA  ·Name+0(SB)/8,$·NameData(SB)
DATA  ·Name+8(SB)/8,$6

因为在Go汇编语言中,go.string."gopher"不是一个合法的符号,因此我们无法通过手工创建(这是给编译器保留的部分特权,因为手工创建类似符号可能打破编译器输出代码的某些规则)。因此我们新创建了一个·NameData符号表示底层的字符串数据。然后定义·Name符号内存大小为16字节,其中前8个字节用·NameData符号对应的地址初始化,后8个字节为常量6表示字符串长度。

当用汇编定义好字符串变量并导出之后,还需要在Go语言中声明该字符串变量。然后就可以用Go语言代码测试Name变量了:

package main

import pkg "path/to/pkg"

func main() {
    println(pkg.Name)
}

不幸的是这次运行产生了以下错误:

pkgpath.NameData: missing Go //type information for global symbol: size 8

错误提示汇编中定义的NameData符号没有类型信息。其实Go汇编语言中定义的数据并没有所谓的类型,每个符号只不过是对应一块内存而已,因此NameData符号也是没有类型的。但是Go语言是再带垃圾回收器的语言,而Go汇编语言是工作在自动垃圾回收体系框架内的。当Go语言的垃圾回收器在扫描到NameData变量的时候,无法知晓该变量内部是否包含指针,因此就出现了这种错误。错误的根本原因并不是NameData没有类型,而是NameData变量没有标注是否会含有指针信息。

通过给NameData变量增加一个NOPTR标志,表示其中不会包含指针数据可以修复该错误:

#include "textflag.h"

GLOBL ·NameData(SB),NOPTR,$8

通过给·NameData增加NOPTR标志的方式表示其中不含指针数据。我们也可以通过给·NameData变量在Go语言中增加一个不含指针并且大小为8个字节的类型来修改该错误:

package pkg

var NameData [8]byte
var Name string

我们将NameData声明为长度为8的字节数组。编译器可以通过类型分析出该变量不会包含指针,因此汇编代码中可以省略NOPTR标志。现在垃圾回收器在遇到该变量的时候就会停止内部数据的扫描。

在这个实现中,Name字符串底层其实引用的是NameData内存对应的“gopher”字符串数据。因此,如果NameData发生变化,Name字符串的数据也会跟着变化。

func main() {
    println(pkg.Name)

    pkg.NameData[0] = '?'
    println(pkg.Name)
}

当然这和字符串的只读定义是冲突的,正常的代码需要避免出现这种情况。最好的方法是不要导出内部的NameData变量,这样可以避免内部数据被无意破坏。

在用汇编定义字符串时我们可以换一种思维:将底层的字符串数据和字符串头结构体定义在一起,这样可以避免引入NameData符号:

GLOBL ·Name(SB),$24

DATA ·Name+0(SB)/8,$·Name+16(SB)
DATA ·Name+8(SB)/8,$6
DATA ·Name+16(SB)/8,$"gopher"

在新的结构中,Name符号对应的内存从16字节变为24字节,多出的8个字节存放底层的“gopher”字符串。·Name符号前16个字节依然对应reflect.StringHeader结构体:Data部分对应$·Name+16(SB),表示数据的地址为Name符号往后偏移16个字节的位置;Len部分依然对应6个字节的长度。这是C语言程序员经常使用的技巧。

3.1.4 定义main函数

前面的例子已经展示了如何通过汇编定义整型和字符串类型变量。我们现在将尝试用汇编实现函数,然后输出一个字符串。

先创建main.go文件,创建并初始化字符串变量,同时声明main函数:

package main

var helloworld = "你好, 世界"

func main()

然后创建main_amd64.s文件,里面对应main函数的实现:

TEXT ·main(SB), $16-0
    MOVQ ·helloworld+0(SB), AX; MOVQ AX, 0(SP)
    MOVQ ·helloworld+8(SB), BX; MOVQ BX, 8(SP)
    CALL runtime·printstring(SB)
    CALL runtime·printnl(SB)
    RET

TEXT ·main(SB), $16-0用于定义main函数,其中$16-0表示main函数的帧大小是16个字节(对应string头部结构体的大小,用于给runtime·printstring函数传递参数),0表示main函数没有参数和返回值。main函数内部通过调用运行时内部的runtime·printstring(SB)函数来打印字符串。然后调用runtime·printnl打印换行符号。

Go语言函数在函数调用时,完全通过栈传递调用参数和返回值。先通过MOVQ指令,将helloworld对应的字符串头部结构体的16个字节复制到栈指针SP对应的16字节的空间,然后通过CALL指令调用对应函数。最后使用RET指令表示当前函数返回。

3.1.5 特殊字符

Go语言函数或方法符号在编译为目标文件后,目标文件中的每个符号均包含对应包的绝对导入路径。因此目标文件的符号可能非常复杂,比如“path/to/pkg.(*SomeType).SomeMethod”或“go.string."abc"”等名字。目标文件的符号名中不仅仅包含普通的字母,还可能包含点号、星号、小括弧和双引号等诸多特殊字符。而Go语言的汇编器是从plan9移植过来的二把刀,并不能处理这些特殊的字符,导致了用Go汇编语言手工实现Go诸多特性时遇到种种限制。

Go汇编语言同样遵循Go语言少即是多的哲学,它只保留了最基本的特性:定义变量和全局函数。其中在变量和全局函数等名字中引入特殊的分隔符号支持Go语言等包体系。为了简化Go汇编器的词法扫描程序的实现,特别引入了Unicode中的中点·和大写的除法/,对应的Unicode码点为U+00B7U+2215。汇编器编译后,中点·会被替换为ASCII中的点“.”,大写的除法会被替换为ASCII码中的除法“/”,比如math/rand·Int会被替换为math/rand.Int。这样可以将中点和浮点数中的小数点、大写的除法和表达式中的除法符号分开,可以简化汇编程序词法分析部分的实现。

即使暂时抛开Go汇编语言设计取舍的问题,在不同的操作系统不同等输入法中如何输入中点·和除法/两个字符就是一个挑战。这两个字符在 https://golang.org/doc/asm 文档中均有描述,因此直接从该页面复制是最简单可靠的方式。

如果是macOS系统,则有以下几种方法输入中点·:在不开输入法时,可直接用 option+shift+9 输入;如果是自带的简体拼音输入法,输入左上角~键对应·,如果是自带的Unicode输入法,则可以输入对应的Unicode码点。其中Unicode输入法可能是最安全可靠等输入方式。

3.1.6 没有分号

Go汇编语言中分号可以用于分隔同一行内的多个语句。下面是用分号混乱排版的汇编代码:

TEXT ·main(SB), $16-0; MOVQ ·helloworld+0(SB), AX; MOVQ ·helloworld+8(SB), BX;
MOVQ AX, 0(SP);MOVQ BX, 8(SP);CALL runtime·printstring(SB);
CALL runtime·printnl(SB);
RET;

和Go语言一样,也可以省略行尾的分号。当遇到末尾时,汇编器会自动插入分号。下面是省略分号后的代码:

TEXT ·main(SB), $16-0
    MOVQ ·helloworld+0(SB), AX; MOVQ AX, 0(SP)
    MOVQ ·helloworld+8(SB), BX; MOVQ BX, 8(SP)
    CALL runtime·printstring(SB)
    CALL runtime·printnl(SB)
    RET

和Go语言一样,语句之间多个连续的空白字符和一个空格是等价的。