Go语言的编译过程

简介

        Go 语言和Java语言一样都是一门需要编译才能运行的编程语言，也就是说代码在运行之前需要通过编译器生成二进制机器码。

        Go 语言编译器的源代码在 src/cmd/compile 目录中，目录下的文件共同组成了 Go 语言的编译器，而编译过程是一个多阶段的过程，它将源代码转换为机器代码。这个过程通常分为以下几个步骤：

• 词法分析：将源代码分解为标记（token）。
• 语法分析：将标记组合成语法结构。
• 类型检查：检查语法结构是否符合Go语言的类型系统。
• 代码生成：将语法结构转换为机器代码。
• 链接：将机器代码链接成一个可执行程序。

词法分析

词法分析器将源代码分解为标记。标记是源代码中的基本单位，它可以是一个标识符、一个关键字、一个运算符、一个界定符等。词法分析器使用正则表达式来识别标记。

词法分析器的工作原理如下：

1. 词法分析器从源代码的第一个字符开始扫描。
2. 词法分析器使用正则表达式来匹配源代码中的字符。
3. 如果词法分析器匹配到一个正则表达式，则它将该正则表达式对应的标记返回给语法分析器。
4. 词法分析器继续扫描源代码，直到它到达源代码的末尾。

案例：

func main() {
  fmt.Println("Hello, world!")
}

上述代码经过词法分析后就会变为如下所示：

func
main
(
)
{
fmt
.
Println
(
"Hello, world!"
)
}

 

语法分析

语法分析器将词法分析后的标记组合成语法结构。语法结构是源代码中代码块的结构，它可以是一个函数、一个语句、一个表达式等。语法分析器使用上下文无关文法（CFG）来识别语法结构，该过程，语法分析器可以采用自下而上或者自上而下的规约方式进行解析，将每一个 Go 的源代码文件最终会被归纳成一个 SourceFile 结构。

语法分析器的工作原理如下：

1. 语法分析器从词法分析器接收标记。
2. 语法分析器使用 CFG 来解析标记。
3. 如果语法分析器成功地解析了标记，则它将语法结构返回给类型检查器。
4. 如果语法分析器无法解析标记，则它将报错。

PS：SourceFile 结构：

SourceFile 结构是 Go 编译器生成的内部数据结构，它表示一个 Go 源代码文件。SourceFile 结构包含了源代码文件中的所有语法结构，例如函数、变量、类型等。

针对上面提到的helloWorld代码,最终会归纳为下面这个SourceFile结构

SourceFile {
  Name: nil,
  Decls: []Decl{
    &FuncDecl{
      Name: &Ident{Name: "main"},
      Type: &FuncType{
        Params: []*Field{},
        Results: []*Field{},
      },
      Body: &BlockStmt{
        List: []Stmt{
          &ExprStmt{
            X: &CallExpr{
              Fun: &Ident{Name: "fmt"},
              Args: []Expr{
                &BasicLit{Value: "Hello, world!"},
              },
            },
          },
        },
      },
    },
  },
  Imports: []*ImportDecl{},
  Comments: []*CommentGroup{},
  Doc: nil,
  Pos: token.Pos(0),
  End: token.Pos(48),
}

类型检查

类型检查器检查语法结构是否符合 Go 语言的类型系统。Go 语言的类型系统是一个静态类型系统，这意味着在编译时就需要知道变量和表达式的类型、函数和闭包的主体、哈希键值对的类型等等。

类型检查器的工作原理如下：

1. 类型检查器从语法分析器接收语法结构。
2. 类型检查器使用类型推断算法来推断变量和表达式的类型。
3. 如果类型检查器成功地推断出变量和表达式的类型，则它将类型信息存储在语法结构中。
4. 如果类型检查器无法推断出变量和表达式的类型，则它将报错。

代码生成

代码生成器将语法结构转换为机器代码。代码生成器使用多种优化技术来提高机器代码的性能。例如，代码生成器可以使用寄存器分配算法来将变量分配到寄存器上。

代码生成器的工作原理如下：

1. 代码生成器从类型检查器接收语法结构。
2. 代码生成器使用优化技术来优化语法结构。
3. 代码生成器将优化后的语法结构转换为机器代码。
4. 代码生成器将机器代码存储在可执行文件中。

链接

链接器将机器代码链接成一个可执行程序。链接器首先将机器代码加载到内存中，然后将代码段、数据段和 BSS 段链接在一起。最后，链接器将可执行程序写入到磁盘上。

链接器的工作原理如下：

1. 链接器从代码生成器接收机器代码。
2. 链接器将机器代码加载到内存中。
3. 链接器将代码段、数据段和 BSS 段链接在一起。
4. 链接器将可执行程序写入到磁盘上。

总结

Go 语言的编译过程是一个多阶段的过程，它将源代码转换为机器代码。这个过程通常分为词法分析、语法分析、类型检查、代码生成和链接等步骤。