go語言需要編譯。Go語言是編譯型的靜態(tài)語言，是一門需要編譯才能運(yùn)行的編程語言，也就說Go語言程序在運(yùn)行之前需要通過編譯器生成二進(jìn)制機(jī)器碼（二進(jìn)制的可執(zhí)行文件），隨后二進(jìn)制文件才能在目標(biāo)機(jī)器上運(yùn)行。

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本教程操作環(huán)境：windows7系統(tǒng)、GO 1.18版本、Dell G3電腦。

Go語言是一門需要編譯才能運(yùn)行的編程語言，也就說代碼在運(yùn)行之前需要通過編譯器生成二進(jìn)制機(jī)器碼，隨后二進(jìn)制文件才能在目標(biāo)機(jī)器上運(yùn)行。

簡單來說，Go語言是編譯型的靜態(tài)語言（和C語言一樣），所以在運(yùn)行Go語言程序之前，先要將其編譯成二進(jìn)制的可執(zhí)行文件。

如果我們想要了解Go語言的實(shí)現(xiàn)原理，理解它的編譯過程就是一個(gè)沒有辦法繞過的事情。下面就來看看Go語言是怎么完成編譯的。

預(yù)備知識

想要深入了解Go語言的編譯過程，需要提前了解一下編譯過程中涉及的一些術(shù)語和專業(yè)知識。這些知識其實(shí)在我們的日常工作和學(xué)習(xí)中比較難用到，但是對于理解編譯的過程和原理還是非常重要的。

1) 抽象語法樹

在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，抽象語法樹（Abstract Syntax Tree，AST），或簡稱語法樹（Syntax tree），是源代碼語法結(jié)構(gòu)的一種抽象表示。它以樹狀的形式表現(xiàn)編程語言的語法結(jié)構(gòu)，樹上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都表示源代碼中的一種結(jié)構(gòu)。

之所以說語法是“抽象”的，是因?yàn)檫@里的語法并不會表示出真實(shí)語法中出現(xiàn)的每個(gè)細(xì)節(jié)。比如，嵌套括號被隱含在樹的結(jié)構(gòu)中，并沒有以節(jié)點(diǎn)的形式呈現(xiàn)。而類似于 if else 這樣的條件判斷語句，可以使用帶有兩個(gè)分支的節(jié)點(diǎn)來表示。

以算術(shù)表達(dá)式 1+3*(4-1)+2 為例，可以解析出的抽象語法樹如下圖所示：

圖：抽象語法樹

抽象語法樹可以應(yīng)用在很多領(lǐng)域，比如瀏覽器，智能編輯器，編譯器。

2) 靜態(tài)單賦值

在編譯器設(shè)計(jì)中，靜態(tài)單賦值形式（static single assignment form，通常簡寫為 SSA form 或是 SSA）是中介碼（IR，intermediate representation）的屬性，它要求每個(gè)變量只分配一次，并且變量需要在使用之前定義。在實(shí)踐中我們通常會用添加下標(biāo)的方式實(shí)現(xiàn)每個(gè)變量只能被賦值一次的特性，這里以下面的代碼舉一個(gè)簡單的例子：

x := 1 x := 2 y := x

從上面的描述所知，第一行賦值行為是不需要的，因?yàn)?x 在第二行被二度賦值并在第三行被使用，在 SSA 下，將會變成下列的形式：

x1 := 1 x2 := 2 y1 := x2

從使用 SSA 的中間代碼我們就可以非常清晰地看出變量 y1 的值和 x1 是完全沒有任何關(guān)系的，所以在機(jī)器碼生成時(shí)其實(shí)就可以省略第一步，這樣就能減少需要執(zhí)行的指令來優(yōu)化這一段代碼。

根據(jù) Wikipedia（維基百科）對 SSA 的介紹來看，在中間代碼中使用 SSA 的特性能夠?yàn)檎麄€(gè)程序?qū)崿F(xiàn)以下的優(yōu)化：

• 常數(shù)傳播（constant propagation）
• 值域傳播（value range propagation）
• 稀疏有條件的常數(shù)傳播（sparse conditional constant propagation）
• 消除無用的程式碼（dead code elimination）
• 全域數(shù)值編號（global value numbering）
• 消除部分的冗余（partial redundancy elimination）
• 強(qiáng)度折減（strength reduction）

• 寄存器分配（register allocation）

因?yàn)?SSA 的作用的主要作用就是代碼的優(yōu)化，所以是編譯器后端（主要負(fù)責(zé)目標(biāo)代碼的優(yōu)化和生成）的一部分。當(dāng)然，除了 SSA 之外代碼編譯領(lǐng)域還有非常多的中間代碼優(yōu)化方法，優(yōu)化編譯器生成的代碼是一個(gè)非常古老并且復(fù)雜的領(lǐng)域，這里就不展開介紹了。

3) 指令集架構(gòu)

最后要介紹的一個(gè)預(yù)備知識就是指令集架構(gòu)了，指令集架構(gòu)（Instruction Set Architecture，簡稱 ISA），又稱指令集或指令集體系，是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中與程序設(shè)計(jì)有關(guān)的部分，包含了基本數(shù)據(jù)類型，指令集，寄存器，尋址模式，存儲體系，中斷，異常處理以及外部 I/O。指令集架構(gòu)包含一系列的 opcode 即操作碼（機(jī)器語言），以及由特定處理器執(zhí)行的基本命令。

指令集架構(gòu)常見種類如下：

• 復(fù)雜指令集運(yùn)算（Complex Instruction Set Computing，簡稱 CISC）；
• 精簡指令集運(yùn)算（Reduced Instruction Set Computing，簡稱 RISC）；
• 顯式并行指令集運(yùn)算（Explicitly Parallel Instruction Computing，簡稱 EPIC）；
• 超長指令字指令集運(yùn)算（VLIW）。

不同的處理器（CPU）使用了大不相同的機(jī)器語言，所以我們的程序想要在不同的機(jī)器上運(yùn)行，就需要將源代碼根據(jù)架構(gòu)編譯成不同的機(jī)器語言。

編譯原理

Go語言編譯器的源代碼在 cmd/compile 目錄中，目錄下的文件共同構(gòu)成了Go語言的編譯器，學(xué)過編譯原理的人可能聽說過編譯器的前端和后端，編譯器的前端一般承擔(dān)著詞法分析、語法分析、類型檢查和中間代碼生成幾部分工作，而編譯器后端主要負(fù)責(zé)目標(biāo)代碼的生成和優(yōu)化，也就是將中間代碼翻譯成目標(biāo)機(jī)器能夠運(yùn)行的機(jī)器碼。

Go的編譯器在邏輯上可以被分成四個(gè)階段：詞法與語法分析、類型檢查和 AST 轉(zhuǎn)換、通用 SSA 生成和最后的機(jī)器代碼生成，下面我們來分別介紹一下這四個(gè)階段做的工作。

1) 詞法與語法分析

所有的編譯過程其實(shí)都是從解析代碼的源文件開始的，詞法分析的作用就是解析源代碼文件，它將文件中的字符串序列轉(zhuǎn)換成 Token 序列，方便后面的處理和解析，我們一般會把執(zhí)行詞法分析的程序稱為詞法解析器（lexer）。

而語法分析的輸入就是詞法分析器輸出的 Token 序列，這些序列會按照順序被語法分析器進(jìn)行解析，語法的解析過程就是將詞法分析生成的 Token 按照語言定義好的文法（Grammar）自下而上或者自上而下的進(jìn)行規(guī)約，每一個(gè) Go 的源代碼文件最終會被歸納成一個(gè) SourceFile 結(jié)構(gòu)：

SourceFile = PackageClause ";" { ImportDecl ";" } { TopLevelDecl ";" }

標(biāo)準(zhǔn)的 Golang 語法解析器使用的就是 LALR(1) 的文法，語法解析的結(jié)果其實(shí)就是上面介紹過的抽象語法樹（AST），每一個(gè) AST 都對應(yīng)著一個(gè)單獨(dú)的Go語言文件，這個(gè)抽象語法樹中包括當(dāng)前文件屬于的包名、定義的常量、結(jié)構(gòu)體和函數(shù)等。

如果在語法解析的過程中發(fā)生了任何語法錯(cuò)誤，都會被語法解析器發(fā)現(xiàn)并將消息打印到標(biāo)準(zhǔn)輸出上，整個(gè)編譯過程也會隨著錯(cuò)誤的出現(xiàn)而被中止。

2) 類型檢查

當(dāng)拿到一組文件的抽象語法樹 AST 之后，Go語言的編譯器會對語法樹中定義和使用的類型進(jìn)行檢查，類型檢查分別會按照順序?qū)Σ煌愋偷墓?jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，按照以下的順序進(jìn)行處理：

• 常量、類型和函數(shù)名及類型；
• 變量的賦值和初始化；
• 函數(shù)和閉包的主體；
• 哈希鍵值對的類型；
• 導(dǎo)入函數(shù)體；

• 外部的聲明；

通過對每一棵抽象節(jié)點(diǎn)樹的遍歷，我們在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上都會對當(dāng)前子樹的類型進(jìn)行驗(yàn)證保證當(dāng)前節(jié)點(diǎn)上不會出現(xiàn)類型錯(cuò)誤的問題，所有的類型錯(cuò)誤和不匹配都會在這一個(gè)階段被發(fā)現(xiàn)和暴露出來。

類型檢查的階段不止會對樹狀結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)也會對一些內(nèi)建的函數(shù)進(jìn)行展開和改寫，例如 make 關(guān)鍵字在這個(gè)階段會根據(jù)子樹的結(jié)構(gòu)被替換成 makeslice 或者 makechan 等函數(shù)。

其實(shí)類型檢查不止對類型進(jìn)行了驗(yàn)證工作，還對 AST 進(jìn)行了改寫以及處理Go語言內(nèi)置的關(guān)鍵字，所以，這一過程在整個(gè)編譯流程中是非常重要的，沒有這個(gè)步驟很多關(guān)鍵字其實(shí)就沒有辦法工作?！?/p>