再探 go 汇编

五一假期在家没事逛论坛的时候，发现了一个宝藏网站，传送门这个网站可以在线生成多种语言的汇编代码，有这个好东西，那必须拿go实验一番。

很久之前我写过一篇go通过go汇编看多返回值实现的文章传送门。当时写的时候比较早，后来 go 1.17 对函数调用时，传递参数做了修改，简单说就是go1.17之前，函数参数是通过栈空间来传递的，在go1.17时做出了改变，在一些平台上（AMD64）可以像C,C++那样使用寄存器传递参数和函数返回值了。为什么做出这个改变呢，原因就是寄存器更快。虽然内存已经很快了，但是还是没法和寄存器相比。之前为啥不用寄存器，用栈空间，原因是实现简单，不用考虑不同平台，不用架构的区别。

简单总结一下两种方式

栈空间：

优点：实现简单，不用区分不同的平台，通用性强
缺点：效率低

寄存器：

优点：速度快
缺点：通用性差，不同的平台需要单独处理
当然，这里说的通用性差是对于编译器来说的

go汇编基础知识

再来总结一次go汇编的基础知识吧，现在回头看之前总结的还是不全面的
go使用的 plan9 汇编，这个和 AT&T 的汇编差别还是有点大的，我个人感觉plan9汇编比较重要的就是四个寄存器，只要理解了这四个寄存器，汇编就理解了一半了

汇编中个几个术语:

栈：进程、线程、goroutine 都有自己的调用栈，先进后出（FILO）
栈帧：可以理解是函数调用时，在栈上为函数所分配的内存区域
调用者：caller，比如：A 函数调用了 B 函数，那么 A 就是调用者
被调者：callee，比如：A 函数调用了 B 函数，那么 B 就是被调者

寄存器	说明
SB(Static base pointer)	global symbols 全局静态指针
FP(Frame pointer)	arguments and locals 指向栈帧的开始
SP(Stack pointer)	top of stack 指向栈顶
PC(Program counter)	jumps and branches 简单说程序计数器

简单展开说一下几个寄存器吧

SB：全局静态指针，即程序地址空间的开始地址。一般用在声明函数、全局变量中。
FP：指向的是 caller 调用 callee 时传递的第一个参数的位置，可以看作是指向两个函数栈的分割位置；但是FP指向的位置不在 callee 的 stack frame 之内。而是在 caller 的 stack frame 上，指向调用 add 函数时传递的第一个参数的位置；可以在 callee 中用 symbol+offset(FP) 来获取入参的参数值，比如 a+8(FP)。虽然 symbol 没有什么具体意义，但是不加编译器会报错。
SP：这个是最常用的寄存器了，同样也是最复杂的寄存器了。不同的引用方式，代表不同的位置。SP寄存器分为伪 SP 寄存器和硬件 SP 寄存器。symbol+offset(SP) 形式，则表示伪寄存器 SP （这个也简称为 BP）。如果是 offset(SP) 则表示硬件寄存器 SP。伪 SP 寄存器指向当前栈帧第一个局部变量的结束位置；硬件SP指向的是整个函数栈结束的位置。有个比较坑的地方：对于编译输出(go tool compile -S / go tool objdump)的代码来讲，所有的 SP 都是硬件 SP 寄存器，无论是否带 symbol（这一点非常具有迷惑性，需要慢慢理解。往往在分析编译输出的汇编时，看到的就是硬件 SP 寄存器）。
PC：这个就是计算机常见的 pc 寄存器，在 x86 平台下对应 ip 寄存器，amd64 上则是 rip。这个很少有用到。

通过一个栈帧的图来理解一下这几个寄存器

栈帧.jpg

大体的栈帧就是图中的这样，图中标注的寄存器都是以 callee 函数为基准的

通过图中可知，如果callee函数中没有局部变量的话，SP硬寄存器和SP伪寄存器指向的是同一个地方

伪 FP 寄存器对应的是 caller 函数的帧指针，一般用来访问 callee 函数的入参参数和返回值。伪 SP 栈指针对应的是当前 callee 函数栈帧的底部（不包括参数和返回值部分），一般用于定位局部变量。硬件 SP 是一个比较特殊的寄存器，因为还存在一个同名的 SP 真寄存器，硬件 SP 寄存器对应的是栈的顶部。

在编写 Go 汇编时，当需要区分伪寄存器和真寄存器的时候只需要记住一点：伪寄存器一般需要一个标识符和偏移量为前缀，如果没有标识符前缀则是真寄存器。比如(SP)、+8(SP)没有标识符前缀为真 SP 寄存器，而 a(SP)、b+8(SP)有标识符为前缀表示伪寄存器。

还有一点

如果callee的栈空间大小是0的话， caller BP 是不会被压入栈中的，此时的SP硬件寄存器和伪FP寄存器指向的是同一个位置。

在汇编中，函数的定义

TEXT    "".add(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $0-24

TEXT 是一个特殊的指令，定义一个函数

.add 是函数的名

NOSPLIT 向编译器表明不应该插入 stack-split 的用来检查栈需要扩张的前导指令

$0-24 这两个参数，0是声明这个函数需要的栈空间的大小，一般来说就是局部变量需要的空间，单位是位。
24是声明函数传入参数和返回值需要的栈空间的大小，单位也是位。

生成汇编

了解了这些基本概念后，上一段代码，通过汇编看一下不同版本go是如何处理函数传递参数的

先通过一段简单的代码看一下区别

package main

func main(){
    add(10,20)
}

//go:noinline
func add(a,b int) int{
    return a+b
}

//go:noinline 这个是告诉编译器不要对这个函数内联，这个东西叫go的编译指令，go还有你很多别的指令，这里就不展开了。想想go也挺有意思的，C++是通过 inline 显式的指定要内联，go是告诉编译器不要内联。

先看一下在1.16下的汇编代码

main_pc0:
        .file 1 ""
        .loc 1 5 0
        TEXT    "".main(SB), ABIInternal, $32-0
        MOVQ    (TLS), CX
        CMPQ    SP, 16(CX)
        PCDATA  $0, $-2
        JLS     main_pc64
        PCDATA  $0, $-1
        SUBQ    $32, SP
        MOVQ    BP, 24(SP)
        LEAQ    24(SP), BP
        FUNCDATA        $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        FUNCDATA        $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        .loc 1 11 0
        MOVQ    $10, (SP)
        MOVQ    $20, 8(SP)
        PCDATA  $1, $0
        CALL    "".add(SB)
        .loc 1 12 0
        MOVQ    24(SP), BP
        ADDQ    $32, SP
        RET
        NOP
        .loc 1 5 0
        PCDATA  $1, $-1
        PCDATA  $0, $-2
        NOP
main_pc64:
        CALL    runtime.morestack_noctxt(SB)
        PCDATA  $0, $-1
        JMP     main_pc0
        .loc 1 21 0
        TEXT    "".add(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $0-24
        FUNCDATA        $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        FUNCDATA        $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        .loc 1 22 0
        MOVQ    "".b+16(SP), AX
        MOVQ    "".a+8(SP), CX
        ADDQ    CX, AX
        MOVQ    AX, "".~r2+24(SP)
        RET

代码有很多，只关注下面图中标注的

通 MOVQ "".b+16(SP), AX 和 MOVQ "".a+8(SP), CX 可以得知，函数是通过SP寄存器偏移完成传递参数的。
这里要注意，.b+16(SP) 这种写法看着像是使用的是伪SP寄存器，实际上用的是硬件SP寄存器

同样的，在函数调用之前，也会把数值放到栈的指定位置
MOVQ $10, (SP) , MOVQ $20, 8(SP)

把编译器换成最新的 1.18看一下

main_pc0:
        .file 1 ""
        .loc 1 5 0
        TEXT    "".main(SB), ABIInternal, $24-0
        CMPQ    SP, 16(R14)
        PCDATA  $0, $-2
        JLS     main_pc47
        PCDATA  $0, $-1
        SUBQ    $24, SP
        MOVQ    BP, 16(SP)
        LEAQ    16(SP), BP
        FUNCDATA        $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        FUNCDATA        $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        .loc 1 11 0
        MOVL    $10, AX
        MOVL    $20, BX
        PCDATA  $1, $0
        NOP
        CALL    "".add(SB)
        .loc 1 12 0
        MOVQ    16(SP), BP
        ADDQ    $24, SP
        RET
main_pc47:
        NOP
        .loc 1 5 0
        PCDATA  $1, $-1
        PCDATA  $0, $-2
        CALL    runtime.morestack_noctxt(SB)
        PCDATA  $0, $-1
        JMP     main_pc0
        .loc 1 21 0
        TEXT    "".add(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $0-16
        FUNCDATA        $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        FUNCDATA        $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        FUNCDATA        $5, "".add.arginfo1(SB)
        FUNCDATA        $6, "".add.argliveinfo(SB)
        PCDATA  $3, $1
        .loc 1 22 0
        ADDQ    BX, AX
        RET

在1.18的汇编代码中就没有通过栈空间来传递参数了，而是直接通过寄存器完成操作，
ADDQ BX, AX，并且返回值直接放到寄存器中。

寄存器数量是有上限的，如果传递的参数个数超过了寄存器的上限，又会怎样处理呢

package main

func main(){
    add(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12)
}

//go:noinline
func add(a,b,c,d,e,f,g,h,i,j,k,l int) int{
    return a+b+c+d+e+f+g+h+i+j+k+l
}

对应的汇编

main_pc0:
        .file 1 ""
        .loc 1 5 0
        TEXT    "".main(SB), ABIInternal, $104-0
        CMPQ    SP, 16(R14)
        PCDATA  $0, $-2
        JLS     main_pc111
        PCDATA  $0, $-1
        SUBQ    $104, SP
        MOVQ    BP, 96(SP)
        LEAQ    96(SP), BP
        FUNCDATA        $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        FUNCDATA        $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        .loc 1 11 0
        MOVQ    $10, (SP)
        MOVQ    $11, 8(SP)
        MOVQ    $12, 16(SP)
        MOVL    $1, AX
        MOVL    $2, BX
        MOVL    $3, CX
        MOVL    $4, DI
        MOVL    $5, SI
        MOVL    $6, R8
        MOVL    $7, R9
        MOVL    $8, R10
        MOVL    $9, R11
        PCDATA  $1, $0
        NOP
        CALL    "".add(SB)
        .loc 1 12 0
        MOVQ    96(SP), BP
        ADDQ    $104, SP
        RET
main_pc111:
        NOP
        .loc 1 5 0
        PCDATA  $1, $-1
        PCDATA  $0, $-2
        CALL    runtime.morestack_noctxt(SB)
        PCDATA  $0, $-1
        JMP     main_pc0
        .loc 1 21 0
        TEXT    "".add(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $0-96
        FUNCDATA        $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        FUNCDATA        $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
        FUNCDATA        $5, "".add.arginfo1(SB)
        FUNCDATA        $6, "".add.argliveinfo(SB)
        PCDATA  $3, $1
        .loc 1 22 0
        LEAQ    (BX)(AX*1), DX
        ADDQ    DX, CX
        ADDQ    DI, CX
        ADDQ    SI, CX
        ADDQ    R8, CX
        ADDQ    R9, CX
        ADDQ    R10, CX
        ADDQ    R11, CX
        MOVQ    "".j+8(SP), DX
        ADDQ    DX, CX
        MOVQ    "".k+16(SP), DX
        ADDQ    DX, CX
        MOVQ    "".l+24(SP), DX
        LEAQ    (DX)(CX*1), AX
        RET

通过汇编可以看到，会先使用寄存器，当寄存器不够时，会使用栈空间。

手写汇编

通过手写一段汇编代码，验证一下各个寄存器的位置，我用的go版本是 1.14.13，所以传参数用的是栈空间。
在 main.go 文件中

package main

func add(int, int) int

func main() {
    print(add(10, 20))
}

定义一个 main 函数作为整个程序的入口，声明一个 add(int, int) int 函数，add 函数的具体实现是用汇编写的,
在 main.go 同级目录下创建一个 add_amd64.s 的文件。

使用硬BP寄存器

TEXT ·add(SB), $0-24
    MOVQ 8(SP), AX
    MOVQ 16(SP), BX
    ADDQ BX, AX
    MOVQ AX, 24(SP)
    RET

使用 go run . 命令，看一下程序执行的结果。

这时候的栈帧如图所示

因为add函数栈空间是0，所以伪SP寄存器没有被压入栈中，伪SP寄存器和硬件SP寄存器指向的是同一个位置。

使用伪SP寄存器

TEXT ·add(SB), $16-24
    MOVQ a+16(SP), AX
    MOVQ b+24(SP), BX
    ADDQ BX, AX
    MOVQ AX, ret+32(SP)
    RET

为了区分对比，这时候把add函数的栈空间设置为16，然后使用伪SP寄存器来获取值。
执行结果如下：

这时候的栈空间如图

使用FP寄存器

代码如下:

TEXT ·add(SB), $16-24
    MOVQ a+0(FP), AX
    MOVQ b+8(FP), BX
    ADDQ BX, AX
    MOVQ AX, ret+16(FP)
    RET

执行结果:

说明还是正确的，此时的栈空间没有变化，和上面是一样的。

到这，应该能理解各个寄存器的相对位置了吧：
在callee栈空间不为0的时候，

FP = 硬件SP + framsize + 16
SP = 硬件SP + framsize

在callee栈空间为0的时候，

FP = 硬件SP + 8
SP = 硬件SP

汇编简单分析

通过上面的代码会发现，手写汇编的代码和反汇编的代码有些不同。反汇编得到的代码，在函数前面会有一段
CALL runtime.morestack_noctxt(SB)
其实这个是编译器自动插入的一段函数，这段指令会调用一次 runtime.morestack_noctxt 这个函数具体的作用是挺复杂的，主要有检查是否需要扩张栈，go的栈空间是可以动态扩充的，所以在调用函数前会检查当前的栈空间是否需要扩充。还有一个功能就是检查当前协程需要抢占。go在1.14之前goroutine的抢占是协作式抢占模式，怎么判断一个协程是否需要抢占呢？后台协程会定时扫描当前运行中的协程，如果发现一个协程运行比较久，会将其标记为抢占状态。这个扫描的时间点就是函数调用期间完成的。

不同类型参数传递

传结构体

package main

type One struct {
    a int
    b int
}

func main(){
    o := One {
        a:10,
        b.20,
    }
    f1(o)
}

//go:noinline
 func f1(o One) int {
     return o.a + o.b
 }

只贴关键的汇编代码吧

    MOVQ    $10, (SP)
        MOVQ    $0, 8(SP)
        PCDATA  $1, $0
        CALL    "".f1(SB)

..........................

        TEXT    "".f1(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $0-24
        MOVQ    "".o+16(SP), AX
        MOVQ    "".o+8(SP), CX
        ADDQ    CX, AX
        MOVQ    AX, "".~r1+24(SP)
        RET

在传结构体的时候，只把结构体的内容传进去了。

传结构体指针

package main

type One struct {
    a int
    b int
}

func main(){
    o := &One{
        a:10,
        b:20,
    }
    f1(o)
}

//go:noinline
 func f1(o *One) int {
     return o.a + o.b
 }

汇编

        LEAQ    ""..autotmp_2+16(SP), AX
        MOVQ    AX, (SP)
        PCDATA  $1, $0
        CALL    "".f1(SB)

.......................

        TEXT    "".f1(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $0-16
        MOVQ    "".o+8(SP), AX
        MOVQ    (AX), CX
        ADDQ    8(AX), CX
        MOVQ    CX, "".~r1+16(SP)
        RET

可以看到，传递指针的时候，只是把结构体第一个元素的地址传递进去了。

如果是传一个空的结构体

package main

type One struct {
}

func main(){
    o := One{}
    f1(o,10,20)
}

//go:noinline
 func f1(o One, a,b int) int {
     return a + b
 }

汇编

        TEXT    "".f1(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $0-24
        .loc 1 15 0
        MOVQ    "".b+16(SP), AX
        MOVQ    "".a+8(SP), CX
        ADDQ    CX, AX
        MOVQ    AX, "".~r3+24(SP)
        RET

可以看到，当传递一个空结构体时，相当于没有传递，因为空结构体的空间大小是0，所以编译器就给忽略了。

最后

暂时就想到这么多，先写这些吧，后面想起别的再补充吧