Plan9 & Go Assembler

2024年12月20日 · 阅读需 15 分钟

Back-end Engineer @ SHOPLINE

Rob Pike 对 Go 语言设计理念的阐述中，一直在强调 Go 语言的简洁、清晰和高效。本文会通过揭示 Go 语言的底层实现，来理解语法糖的运作原理，并提供分析其他语言实现的思路。

Plan 9 & Go Plan 9 Assembler 基础

Rob_Pike多次在Golang的会议提到，Go语言的设计理念追求简洁、清晰和高效。在使用的层面上Go语言确实能够给人一种简单的感觉，但是当问出「为什么」的时候，这些简单就会变成黑魔法。因此本篇文章是作为揭开Golang外衣窥探黑魔法的基石。

在计算机里头没有任何黑魔法！— 浙江大学翁恺

Everything is 「for」 😈

学习它你能得到什么？！

能够揭开语法糖底层是如何运作的
以不变应万变或许你还可以尝试分析其他语言是如何做的
在与对方进行对线的时候能够有理有据（Important‼️）

什么是 Go Plan 9 Assembler

The assembler is based on the input style of the Plan 9 assemblers — https://go.dev/doc/asm

Go语言的Go Assembler（汇编器）是基于Plan 9风格进行实现（TOP级程序员们选择自己搞一套汇编器～）保留了许多Plan 9的汇编的语法和特性，在某些地方增加或者简化了，目的自然就是为了Go语言的特性如并发、垃圾回收、内存管理。

Plan 9是来自于大名鼎鼎的贝尔实验室(Bell Labs)，你所熟悉的Unix和C/C++都是出自该实验室，Plan 9其实一个分布式操作系统。其中Rob_Pike也是Plan 9的团队成员（下图是Plan9的吉祥物和Gopher有几分相似）

需要注意的是Plan 9是一个操作系统，其中它有一套自己的汇编指令也就是Plan 9汇编。虽然在Go中可以使用Plan 9汇编进行编码，但是在最终的执行上还是需要翻译成对应平台的汇编，这个过程是通过Go工具链。

Plan 9 & Go Plan 9 Assembler 知识点

为了区分这里用Go Assembler来指代Go风格的Plan 9，下面将会从以下几个方面来介绍Plan 9汇编基础（如果你想知道更多可参考A Manual for the Plan 9 assembler）。

基本指令
寄存器
变量声明
函数声明
栈结构

‼️ 目标是能够在后续分析的时候看懂即可

基本指令

数据移动

使用MOV指令进行，例如MOVB后缀则是表示长度，$表示常数字，并且可以为负数

MOVQ $-10, AX     // 8 bytes

需要注意以下Plan 9与其他汇编操作数是相反的

计算指令

ADDQ：相加并赋值，例如 ADDQ BX, AX 表示BX和AX的值相加并赋值给AX
SUBQ：相减并赋值，例如 SUBQ AX, BX 表示AX和BX的值相减并赋值给BX
IMULQ：无符号乘法，例如 IMULQ AX, BX 表示AX和BX的值相乘并赋值给BX
IDIVQ：无符号除法，例如 IDIVQ CX 表示用CX作为除数，AX作为被除数，结果存储到AX中
CMPQ：对两数相减，比较大小，例如 CMPQ SI, CX 表示比较SI和CX的大小。与SUBQ类似，只是不返回相减的结果

同样后缀表示的是不同长度的操作数

条件跳转

跳转可以分为无条件和有条件的跳转，分别是JMP和JZ

无条件跳转
JMP addr   // addr 为代码的地址
JMP 2(PC)  // 以当前指令为基础，向前/后跳转 ==> 同理 JMP -2(PC) 
===========================================================
有条件跳转
JZ target

栈调整

Plan 9的push和pop指令通常在生成汇编的时候是不存在的，你将会看到使用SP进行运算实现。

‼️ 注意区分Go Assembler对伪寄存器SP，Plan 9的SP是硬件寄存器直接由汇编指令操作（函数栈真实栈顶地址）

SUBQ $0x1, SP   // 对 SP 做减法，为函数分配函数栈帧
ADDQ $0x1, SP   // 对 SP 做加法，清除函数栈帧

寄存器

对于amd64的通用寄存器在Plan 9汇编都是可以正常使用的，需要注意的是在Plan 9中使用寄存器是不带名字的首字母，例如rax在Plan 9则为AX。

还记得前面栈调整的时候说到，进行栈调整使用的是SP，那么在使用寄存器的时候应该避免使用rbp和rsp。

伪寄存器

‼️ 这个是由Go Assembler所定义的，注意对于伪寄存器所有的平台架构都是相同的

FP: Frame pointer: arguments and locals. 用来表示函数的参数、返回值
PC: Program counter: jumps and branches. 程序计数器，它与体系结构中的PC类似，通常都是出现在跳转指令，例如JMP target无条件跳转到target标签中，这里就是Go Assembler的PCd的一个象征
SB: Static base pointer: global symbols. 静态基地址指针，一般用来声明函数或全局变量
SP: Stack pointer: the highest address within the local stack frame. 用于指向当前栈帧的局部变量的开始位置，形式如symbol + offset(SP)。如何区分硬件寄存器SP和伪寄存器呢？看是否带symbol

一些注意点，在go tool objdump/go tool compile -S等指令输出的代码，是不存在伪SP和FP的，在编译和反编译下只有真实的硬件寄存器

变量声明

在汇编中变量通常是存在在.rodata或者是.data段中

.data段存储可修改的变量如全局变量、静态变量
.rodata段存储程序的常量，在加载的时候会标记为只读，例如字符串字面量或其他数据。

DATA和GLOBL指令是用于定义变量

DATA 用来定义一个数据段，用于声明和初始化全局数据；
GLOBL用来声明全局符号，使得该符号可以在其他模块中访问。

需要注意的是offset偏移指的是symbol的偏移，这里可以看到一个熟悉的伪寄存器SB其表示的就是，数据在内存中的位置

DATA symbol+offset(SB)/width, value

用于声明全局符号，并且指定在内存的位置、类型以及大小，这里的RODATA表示是一种flag还有其他的类型

GLOBL divtab(SB), RODATA, &1

DATA与GLOBL两者结合

DATA首先在age变量的起始位置存储值1，同时数据的大小为4字节
GLOBL声明了全局符号age，大小为4字节，并且是只读属性，这个数据项被初始化为1，并且存在0x00内存地址中

DATA age+0x00(SB)/4, $1
GLOBL age(SB), RODATA, $4

偏移量offset 什么时候为非0呢？当在全局中定义变量类型为数组、字符串等时候就需要使用到offset。这里的<>可以理解为该全局变量只在当前文件中生效。

DATA bio<>+0(SB)/8, $"hello"
DATA bio<>+8(SB)/8, $" world"
GLOBL bio<>(SB), RODATA, $16

其中flag还有其他类型🔗

// Don't profile the marked routine. This flag is deprecated.
#define NOPROF	1
// It is ok for the linker to get multiple of these symbols. It will
// pick one of the duplicates to use.
#define DUPOK	2
// Don't insert stack check preamble.
#define NOSPLIT	4
// Put this data in a read-only section.
#define RODATA	8
// This data contains no pointers.
#define NOPTR	16
// This is a wrapper function and should not count as disabling 'recover'.
#define WRAPPER 32
// This function uses its incoming context register.
#define NEEDCTXT 64
// Allocate a word of thread local storage and store the offset from the
// thread local base to the thread local storage in this variable.
#define TLSBSS	256
// Do not insert instructions to allocate a stack frame for this function.
// Only valid on functions that declare a frame size of 0.
#define NOFRAME 512
// Function can call reflect.Type.Method or reflect.Type.MethodByName.
#define REFLECTMETHOD 1024
// Function is the outermost frame of the call stack. Call stack unwinders
// should stop at this function.
#define TOPFRAME 2048
// Function is an ABI wrapper.
#define ABIWRAPPER 4096

函数声明

函数的声明以TEXT标识开头，下面来看看一个函数的声明在汇编是怎么样的并且尝试进行分析吧

func add(a, b int) int {
	return a + b
}
===========================================================
TEXT pkgname·add(SB), NOSPLIT, $0-8
    MOVQ a+0(FP), AX
    MOVQ b+8(FP), BX
    ADDQ AX, BX
    MOVQ BX, ret+16(FP)
    RET

由于 Go 是栈帧管理的语言，栈帧中通常包含函数参数、局部变量等

函数参数：

a是int类型，位于a+0(FP)。由于int在 64 位架构中占 8 字节，所以a在栈帧中的偏移量是0
b也是int类型，位于b+8(FP)，因此偏移量是 8 字节

TEXT pkgname·add(SB), NOSPLIT, $0-8

MOVQ a+0(FP), AX：取a参数的值，a是从栈中offset=0处进行读取，栈帧指针FP加上偏移量0得到a的位置，AX是一个寄存器
MOVQ b+8(FP)BX和上面的分析是同理的
ADDQ AX, BX将AX寄存器的值加到BX寄存器中，实现b = a + b
`MOVQ BX, ret+16(FP)将 BX 寄存器的值（即 a + b 的结果）存储到栈上的返回值位置。通常返回值会存放在栈帧中的 ret 位置，ret+16(FP) 表示返回值在栈中的偏移量
结束

最后再来回顾一下上面所使用到Go Assembler的伪寄存器

FP（Frame Pointer）：伪寄存器，指向当前栈帧的基址。它用于定位栈中的局部变量和参数
SB（Stack Base）：伪寄存器，表示栈的基址，在函数调用中通常用于标识栈的起始位置

栈结构

前面也有说到由于 Go 是栈帧管理的语言，因此了解栈帧的结构对后续是十分重要的，那么首先先来明确几个专业术语吧

栈帧：是每一个函数在调用的过程中创建的一块区域，用于保存局部信息、返回地址等
调用者：caller这个很好理解，就是谁做出了调用的动作
被调用者：callee

以下是具体的栈帧布局，对于伪寄存器SP可以理解为用于模拟指针的变化过程，会随着栈帧的压栈和弹栈而动态变化

可以抽象出大致的布局，其实就是由「局部变量」、「参数」、「返回值」进行组合而成的。

同时理解call指令只会做两件事情

将下一条指令的地址入栈，被调用函数执行结束后会跳回到「返回地址」
跳转到被调用函数入口处执行

‼️ 需要注意在Golang早期的版本中，参数都是通过栈进行传入的，后续也支持了通过寄存器进行传入。

那么接下来用一个例子来具体看看函数调用者与被调用者的栈帧图

func main() {
	a := 1
	b := 2
	add(a, b)
}

func add(a, b int) int {
	sum := a + b
	return sum
}

总结 & 计划

现在你应该明白了Plan 9的一些历史，以及Go Assembler与Plan 9的关系。

Plan 9的汇编对于现阶段只需要点到为止，后续如果你感兴趣可再深入进行学习。作为应用层开发者，暂时并不需要太过深究里面的细节，掌握基本的知识点后续在进行分析的时候能够看懂足以。

后续将会基于这些基础知识逐步转移到应用层代码进行探索与分析。

Plan 9 & Go Plan 9 Assembler 基础​

什么是 Go Plan 9 Assembler​

Plan 9 & Go Plan 9 Assembler 知识点​

基本指令​

数据移动​

计算指令​

条件跳转​

栈调整​

寄存器​

伪寄存器​

变量声明​

函数声明​

栈结构​

总结 & 计划​

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