Go语言内幕(1):主要概念与项目结构

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这个系列博客主要为那些对 Go 基本知识已经有一定了解,又希望对其内部细节进行更深一步地探索的人准备的。今天这一篇主要分析 Go 源代码的基本结构以及 Go 编译器的某些内部细节。读完这篇博客后,你会得到下面三个问题的答案:

1. Go 源代码结构是什么样子的?
2. Go 编译器是如何工作的?
3. Go 语言中的结点树的基本结构是什么样的?

让我们开始吧

每当开始学习一门新编程语言的时候,你总是可以找到大量的 “hello world” 教程、新手指南或者关于语言的主要概念、语法甚至标准库的文档。然而,当你想找一些介绍得更加深入的资料,比如语言运行时分配的数据结构在内存中的布局,或者调用一个内置函数时到底生成了什么样的汇编代码,你就会发现这并非易事。显然,这些问题的答案都藏在源代码中。但是,以我的个人经验来看,你很可能花费数小时在源代码中摸索却最终一无所获。

我并不是打算装得自己什么都懂,也没有打算介绍得面面俱到。而是希望可以帮助你去探索 Go 语言的源代码。

在我们开始之前,我们需要自己有一份 Go 源代码的拷贝。要获得它的源代码非常容易,只需要执行如下代码:

git clone https://github.com/golang/go

请注意,这份代码的主分支是在不断改进中的,我在这个博客中使用的是 release-brach.go1.4 这个分支。

搞清楚项目结构

如果你看一下 Go 仓库的 /src 文件夹,你会看到很多文件夹。其中,大部分文件夹都是 Go 标准库的源文件。该项目使用标准命名规则,所以每一个包(pakage)都在一个独立的文件夹中,而且这个文件夹的名称与包名称相同。除了标准库以外,该目录中还有很多其它的东西。就我各人看法,其中最有用的文件中主要有:

文件夹 描述
/src/cmd/ 包含不同的命令行工具。
/src/cmd/go/ 该目录下包含一个 Go 工具的源代码文件。此工具用于下载编译 Go 的源文件,以及安装 Go 语言的包。在完成上述工作中,它会收集所有源文件并调用 Go 链接器与编译器。
/src/cmd/dist/ 此目录下也包含一个工具。此工具用于编译生成所有其它命令行工具。同时,它会由标准库生成所有的包。要想搞明白每个工具或者包到底用到了哪些库,你就需要分析这里的源代码。
/src/cmd/gc/ 包含 Go 编译器与系统架构无关的部分。
/src/cmd/ld/ 包含 Go 链接器与系统架构无关的部分。与系统架构相关的部分被放在以 l 开头的目录中。这些目录的命名规则与编译器部分的命名规则相同。
/src/cmd/5a/, 6a, 8a, and 9a 此目录下存放针对不同架构的 Go 语言汇编编译器。Go 汇编程序的语言并不能一一对应地映射到下层机器的汇编语言。不过,对于每种不同的架构都存在一个将 Go 汇编程序翻译为机器汇编程序的编译器。你可以这这里找到更多内容。
/src/lib9/, /src/libbio, /src/liblink 在编译器、链接器、以及运行时中用到的不同库。
/src/runtime/ 这部分包含了 Go 语言最重要的包,所有程序都默认导入这些包。其中包括所有的运行时功能,比如内存管理、垃圾回收、Go 协程(goroutine)等等。

Go 编译器内部机制

正如提到的那样,Go 编译器中与系统结构无关的部分被放在 /src/cmd/gc 目录下。其入口点在 lex.c 文件中。除了一些共同的部分,比如命令行参数解析,编译器还要完成如下的工作:

1. 初始化一些通用数据结构。

2. 遍历提供的所有 Go 源代码文件,并针对每个文件调用 yyparse 方法。该方法会完成真正的语法分析。Go 编译器使用 Bison 作为程序分析生成器。语法描述存储在文件 go.y 中(后面我会提供详细的说明)。最终,这一步会生成一个完整的分析树,其中每个结点表示编译后程序的一个元素。

3. 递规地遍历生成的树,并做出一定修改,例如为那些应当隐式定义的节点指定类型信息、重写在运行时包中传递给函数的某些语言元素——如类型转换,以及其它一些工作。

4. 语法解析树处理完成后,再执行真正的编译,将结点翻译成汇编代码。

5. 在磁盘上创建目标文件,并将翻译生成的汇编代码以及一些额外的数据结构,如符号表等,写入目标文件中。

深入 Go 语言语法

现在让我们再进一步。 go.y 文件中包含了语言的语法规则,所以这个文件是一个探索 Go 编译器的很好突破口,也是我们理解语言语法规则的关键。这个文件主要包括如下几部分:

xfndcl:
     LFUNC fndcl fnbody

fndcl:
     sym '(' oarg_type_list_ocomma ')' fnres
| '(' oarg_type_list_ocomma ')' sym '(' oarg_type_list_ocomma ')' fnres

这个声明中定义了 xfndcl 以及 fundcl 两个结点。 fundcl 结点可以有以下两种形式。第一种对应于如下的语法结构:

somefunction(x int, y int) int

其第二种形式对应于下面这种语法结构:

(t *SomeType) somefunction(x int, y int) int.

xfndcl 结点中包含存储于常量 LFUNC 中的关键字 func,以及其后的 fndcl 与 fnbody 结点。

Bison(或者说 Yacc)语法一个十份重要的特征是,它允许将任意 C 代码放在结点定义之后。每当在源代码文件中找到匹配该结点定义的部分的时候,相应的 C 代码就会执行。这里,我们把最终结果结点定义为 $ $,其子结点分别为 $1,$2……

通过一个例子更加容易理解。注意下面这段简化后的代码:

fndcl:
      sym '(' oarg_type_list_ocomma ')' fnres
        {
          t = nod(OTFUNC, N, N);
          t->list = $3;
          t->rlist = $5;
          \( = nod(ODCLFUNC, N, N);
          \)->nname = newname($1);
          \(->nname->ntype = t;
          declare(\)->nname, PFUNC);
      }
| '(' oarg_type_list_ocomma ')' sym '(' oarg_type_list_ocomma ')' fnres

首先,我们创建了一个新结点,该结点包含函数声明的类型信息。同时,此结点的参数列表引用了结点 $3,结果列表引用了结点 $5。随后创建了结果结点 $ $。在结果结点中存储了函数的名称和以及其类型结点。 正如你所看到的那样,在 go.y 文件中的定义与结点结构之间可能没有直接的对应关系。

如何理解结点

是时候看一下结点到底是什么东西了。首先,结点是一个结构体(你可以在这里找到其定义)。这个结构体包含了大量的属性,这是因为它需要各种不同类型的结点类型,而不同类别的结点又有着不同的属性。下面列出了一些我认为比较重要一些属性:

结点结构体域 描述
op 结点操作符。每个结点都有这个域。它将不同类型的结点区分开来。在前面的例子中,该域分别是 OTFUNC(操作类型函数)与 ODCLFUNC(操作声明函数)。
type 该域引用一个包含类型信息的结构体(有些结点没有类型信息,例如,像 if、switch、for 之类的控制流语句)。
val 在表示常量的结点中,该域存储常量值。

到目前为止,你已经明白了结点树的基本结构了,你可以去运用一下这些知识。在接下来的博文中,我们会用一个简单的 Go 应用作为实例来分析 Go 编译器到底是如何编译代码的。

本文来自:伯乐在线

感谢作者:伯乐在线

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