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Go 程序是怎样跑起来的(一)
2019-07-04 10:14:45 】 浏览:45
Tags:程序 怎样 起来

刚开始写这篇文章的时候,目标非常大,想要探索 Go 程序的一生:编码、编译、汇编、链接、运行、退出。它的每一步具体如何进行,力图弄清 Go 程序的这一生。

在这个过程中,我又复习了一遍《程序员的自我修养》。这是一本讲编译、链接的书,非常详细,值得一看!数年前,我第一次看到这本书的书名,就非常喜欢。因为它模仿了周星驰喜剧之王里出现的一本书 ——《演员的自我修养》。心向往之!

在开始本文之前,先推荐一位头条大佬的博客——《面向信仰编程》,他的 Go 编译系列文章,非常有深度,直接深入编译器源代码,我是看了很多遍了。博客链接可以从参考资料里获取。

理想很大,实现的难度也是非常大。为了避免砸了“深度解密”这个牌子,这次起了个更温和的名字,嘿嘿。

引入

我们从一个 Hello World 的例子开始:

package main

import "fmt"

func main() {
    fmt.Println("hello world")
}

当我用我那价值 1800 元的 cherry 键盘潇洒地敲完上面的 hello world 代码时,保存在硬盘上的 hello.go 文件就是一个字节序列了,每个字节代表一个字符。

用 vim 打开 he

llo.go 文件,在命令行模式下,输入命令:

:%!xxd

就能在 vim 里以十六进制查看文件内容:

hex .go

最左边的一列代表地址值,中间一列代表文本对应的 ASCII 字符,最右边的列就是我们的代码。再在终端里执行 man ascii

ASCII

和 ASCII 字符表一对比,就能发现,中间的列和最右边的列是一一对应的。也就是说,刚刚写完的 hello.go 文件都是由 ASCII 字符表示的,它被称为文本文件,其他文件被称为二进制文件

当然,更深入地看,计算机中的所有数据,像磁盘文件、网络中的数据其实都是一串比特位组成,取决于如何看待它。在不同的情景下,一个相同的字节序列可能表示成一个整数、浮点数、字符串或者是机器指令。

而像 hello.go 这个文件,8 个 bit,也就是一个字节看成一个单位(假定源程序的字符都是 ASCII 码),最终解释成人类能读懂的 Go 源码。

Go 程序并不能直接运行,每条 Go 语句必须转化为一系列的低级机器语言指令,将这些指令打包到一起,并以二进制磁盘文件的形式存储起来,也就是可执行目标文件。

从源文件到可执行目标文件的转化过程:

compile

完成以上各个阶段的就是 Go 编译系统。你肯定知道大名鼎鼎的 GCC(GNU Compile Collection),中文名为 GNU 编译器套装,它支持像 C,C++,Java,Python,Objective-C,Ada,Fortran,Pascal,能够为很多不同的机器生成机器码。

可执行目标文件可以直接在机器上执行。一般而言,先执行一些初始化的工作;找到 main 函数的入口,执行用户写的代码;执行完成后,main 函数退出;再执行一些收尾的工作,整个过程完毕。

在接下来的文章里,我们将探索编译运行的过程。

编译链接概述

Go 源码里的编译器源码位于 src/cmd/compile 路径下,链接器源码位于 src/cmd/link 路径下。

编译过程

我比较喜欢用 IDE(集成开发环境)来写代码, Go 源码用的 Goland,有时候直接点击 IDE 菜单栏里的“运行”按钮,程序就跑起来了。这实际上隐含了编译和链接的过程,我们通常将编译和链接合并到一起的过程称为构建(Build)。

编译过程就是对源文件进行词法分析、语法分析、语义分析、优化,最后生成汇编代码文件,以 .s 作为文件后缀。

之后,汇编器会将汇编代码转变成机器可以执行的指令。由于每一条汇编语句几乎都与一条机器指令相对应,所以只是一个简单的一一对应,比较简单,没有语法、语义分析,也没有优化这些步骤。

编译器是将高级语言翻译成机器语言的一个工具,编译过程一般分为 6 步:扫描、语法分析、语义分析、源代码优化、代码生成、目标代码优化。下图来自《程序员的自我修养》:

编译过程总览

词法分析

通过前面的例子,我们知道,Go 程序文件在机器看来不过是一堆二进制位。我们能读懂,是因为 Goland 按照 ASCII 码(实际上是 UTF-8)把这堆二进制位进行了编码。例如,把 8个 bit 位分成一组,对应一个字符,通过对照 ASCII 码表就可以查出来。

当把所有的二进制位都对应成了 ASCII 码字符后,我们就能看到有意义的字符串。它可能是关键字,例如:package;可能是字符串,例如:“Hello World”。

词法分析其实干的就是这个。输入是原始的 Go 程序文件,在词法分析器看来,就是一堆二进制位,根本不知道是什么东西,经过它的分析后,变成有意义的记号。简单来说,词法分析是计算机科学中将字符序列转换为标记(token)序列的过程。

我们来看一下维基百科上给出的定义:

词法分析(lexical analysis)是计算机科学中将字符序列转换为标记(token)序列的过程。进行词法分析的程序或者函数叫作词法分析器(lexical analyzer,简称lexer),也叫扫描器(scanner)。词法分析器一般以函数的形式存在,供语法分析器调用。

.go 文件被输入到扫描器(Scanner),它使用一种类似于有限状态机的算法,将源代码的字符系列分割成一系列的记号(Token)。

记号一般分为这几类:关键字、标识符、字面量(包含数字、字符串)、特殊符号(如加号、等号)。

例如,对于如下的代码:

slice[i] = i * (2 + 6)

总共包含 16 个非空字符,经过扫描后,

记号 类型
slice 标识符
[ 左方括号
i 标识符
] 右方括号
= 赋值
i 标识符
* 乘号
( 左圆括号
2 数字
+ 加号
6 数字
) 右圆括号

上面的例子源自《程序员的自我修养》,主要讲解编译、链接相关的内容,很精彩,推荐研读。

Go 语言(本文的 Go 版本是 1.9.2)扫描器支持的 Token 在源码中的路径:

src/cmd/compile/internal/syntax/token.go

感受一下:

var tokstrings = [...]string{
    // source control
    _EOF: "EOF",

    // names and literals
    _Name:    "name",
    _Literal: "literal",

    // operators and operations
    _Operator: "op",
    _AssignOp: "op=",
    _IncOp:    "opop",
    _Assign:   "=",
    _Define:   ":=",
    _Arrow:    "<-",
    _Star:     "*",

    // delimitors
    _Lpare
			
		  
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