Go标准库依赖的那些modules

本文永久链接 – https://tonybai.com/2022/10/25/the-modules-that-go-standard-library-depend-on

对于程序员来说,编写的代码依赖标准库是“天经地义”的事情。标准库在程序员眼中就是高质量的代名词,也是最值得信赖的非自己所写的代码,当然更是代码包依赖关系链条上的最后一环,即所有直接或间接依赖的第三方module最终都会依赖标准库。

前两天组内学习rust的小伙伴说rust的标准库还依赖第三方库(注:我对rust了解不深,尚未证实),这引发了我的一个疑问: Go标准库是否依赖其他modules呢?在这一短篇中,我就来探究一下

注:本文使用的Go版本为Go 1.19


众所周知,Go于1.11版本引入go modules,如今Go module已经完全替代掉原先的gopath构建模式,成为了Go源码的标准构建模式。

相应的,Go标准库也在Go 1.13版本中采用了Go module构建,加入了go.mod文件,第一版标准库的go.mod文件内容如下:

module std

go 1.12

require (
    golang.org/x/crypto v0.0.0-20190611184440-5c40567a22f8
    golang.org/x/net v0.0.0-20190813141303-74dc4d7220e7
    golang.org/x/sys v0.0.0-20190529130038-5219a1e1c5f8 // indirect
    golang.org/x/text v0.3.2 // indirect
)

我们看到Go标准库的module path为std。不过就像开篇说的那样,很多gopher认为标准库应该是依赖链的末端,但从go.mod文件的内容来看,Go标准库也有自己的依赖

我们再来看看Go 1.19版本中go.mod的内容:

module std

go 1.19

require (
    golang.org/x/crypto v0.0.0-20220516162934-403b01795ae8
    golang.org/x/net v0.0.0-20220517181318-183a9ca12b87
)

require (
    golang.org/x/sys v0.0.0-20220614162138-6c1b26c55098 // indirect
    golang.org/x/text v0.3.8-0.20220509174342-b4bca84b0361 // indirect
)

我们看到:和Go 1.13版本相比,Go标准库的go.mod将直接依赖和间接依赖(也叫传递依赖)分开放在不同的require block中,这是因为Go 1.17版本增加的module依赖图修剪特性

但从Go标准库依赖的modules来看,和Go 1.13相比,Go标准库依赖的modules并没有变化。

Go标准库依赖的是什么modules呢?我们看到其依赖的module都在golang.org/x这个路径下,这是Go核心团队自己维护的非标准库module的Canonical import paths的前缀路径。golang.org/x这个前缀路径下的包有不少,如下图所示:

其中,主要的可以被import的功能module包括:

  • crypto:额外的密码学软件包
  • image:额外的图像处理包
  • net:额外的网络相关处理包
  • sync:额外的并发同步原语包
  • sys:用于进行系统调用的软件包
  • text:用于处理文本的软件包
  • time:额外的时间处理相关包
  • exp:实验性(experimental)的和废弃的(deprecated)软件包

注:exp下面的包尽量不用,或务必谨慎使用,这里实验性包居多,API接口和具体实现变化可能性很大。还有一些是废弃不再维护的。

那Go标准库为什么会直接依赖crypto和net这两个modules呢?

我的理解是网络与密码学是两个变化较快的领域,同时也是两个十分重要的领域,尤其是在如今对安全十分重视的云原生时代。一些新的密码学算法、网络技术规范(RFC)在不断的出现并持续演进,这些技术在未成熟前尚不适合放入标准库,那么在标准库之外由Go核心团队维护一个“与时俱进”的库就十分必要。等成熟后,在标准库中设计并提供稳定接口并引用golang.org/x/abc下的实现就可以很快实现对某成熟网络技术或密码学技术的稳定支持,当年Go 1.6版本对http/2的支持就是这么做的

那么Go标准库都依赖了哪些具体的包了呢?我们可以看一下\$GOROOT/src/vendor下面的modules.txt:

# golang.org/x/crypto v0.0.0-20220516162934-403b01795ae8
## explicit; go 1.17
golang.org/x/crypto/chacha20
golang.org/x/crypto/chacha20poly1305
golang.org/x/crypto/cryptobyte
golang.org/x/crypto/cryptobyte/asn1
golang.org/x/crypto/curve25519
golang.org/x/crypto/curve25519/internal/field
golang.org/x/crypto/hkdf
golang.org/x/crypto/internal/poly1305
golang.org/x/crypto/internal/subtle
# golang.org/x/net v0.0.0-20220517181318-183a9ca12b87
## explicit; go 1.17
golang.org/x/net/dns/dnsmessage
golang.org/x/net/http/httpguts
golang.org/x/net/http/httpproxy
golang.org/x/net/http2/hpack
golang.org/x/net/idna
golang.org/x/net/lif
golang.org/x/net/nettest
golang.org/x/net/route
# golang.org/x/sys v0.0.0-20220614162138-6c1b26c55098
## explicit; go 1.17
golang.org/x/sys/cpu
# golang.org/x/text v0.3.8-0.20220509174342-b4bca84b0361
## explicit; go 1.17
golang.org/x/text/secure/bidirule
golang.org/x/text/transform
golang.org/x/text/unicode/bidi
golang.org/x/text/unicode/norm

modules.txt是go mod vendor命令生成的,也是项目依赖包的完全列表,包括间接依赖的包。

我们可以通过go mod why命令查询为什么标准库要依赖这些module以及package,以golang.org/x/crypto这个module为例:

$go mod why -m golang.org/x/crypto
# golang.org/x/crypto
crypto/tls
golang.org/x/crypto/chacha20poly1305

我们看到是crypto/tls包依赖了golang.org/x/crypto这个module,但why只会输出标准库中依赖x/crypto module的一个包而已,并非全部。同理我们也可以查看modules.txt某个具体的包为何要被依赖,以golang.org/x/net/dns/dnsmessage为例:

$go mod why golang.org/x/net/dns/dnsmessage
# golang.org/x/net/dns/dnsmessage
net
golang.org/x/net/dns/dnsmessage

我们看到net包依赖了dnsmessage这个包。

综上,我们知道了Go标准库也是会依赖的,但其依赖的module被严格限制在Go核心团队自己维护的golang.org/x下面的少数module,因此我们依然可以完全信任Go标准库,相信后续Go标准库也会一直保证实现的高质量。


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通过实例理解Go静态单赋值(SSA)

本文永久链接 – https://tonybai.com/2022/10/21/understand-go-ssa-by-example

在上一篇文章《通过实例理解Go内联优化》中,我们探讨了Go编译器在编译中端进行的内联优化。内联优化基于IR中间表示进行,不过Go编译过程不止有一种IR表示,这点和龙书《编译原理(第二版)》的在第六章“中间代码生成”一开始处的讲解是一致的,即在将给定源语言的一个程序翻译成特定的目标机器代码的过程中,一个编译器可能构造出一系列中间表示(IR),如下图:

高层中间表示更接近于源语言,而低层的中间表示则更接近于目标机器。在Go编译过程中,如果说内联优化使用的IR是高层中间表示,那么低层中间表示非支持静态单赋值(SSA)的中间代码形式莫属。

在这一篇中,我们将沿着Go编译器的后端优化之路继续走下去,我们来认识一下静态单赋值(SSA)

1. 静态单赋值(SSA)的历史

静态单赋值(Static Single Assignment,SSA),也有称为Single Static Assignment的,是一种中间代码的表示形式(IR),或者说是某种中间代码所具备的属性,它是由IBM的三位研究员:Barry K. Rosen、Mark N. Wegman和F. Kenneth Zadeck于1988年提出的。

具有SSA属性的IR都具有这样的特征:

  • 每个变量在使用前都需要被定义
  • 每个变量被精确地赋值一次(使得一个变量的值与它在程序中的位置无关)

下面是一个简单的例子(伪代码):

y = 1
y = 2
x = y

转换为SSA形式为:

y1 = 1
y2 = 2
x1 = y2

我们看到由于SSA要求每个变量只能赋值一次,因此在转换为SSA后,变量y用y1和y2来表示,后面的序号越大,表明y的版本越新。从这一段三行的代码我们也可以看到,在SSA层面,y1 = 1这行代码就是一行死代码(dead code),即对结果不会产生影响的代码,可以在中间代码优化时被移除掉。

1991年,同样来自IBM研究院的Ron Cytron和Jeanne Ferrante以及前面的三位研究员又一起给出了构建SSA的快速算法,这进一步推动了SSA在编译器领域的快速应用。

SSA的提出以及后续的流行正是因为SSA形式中间代码具有很好的优化空间,基于SSA可以开启一些新的编译器优化算法或增强现有的优化算法,因此自SSA提出后,各种主流语言编译器后端均逐渐开始支持SSA,包括GCC、llvm、hotspot JVM、v8 js等。SSA也成为了一种IR表示的事实标准。

那么Go语言是何时开始与SSA结缘的呢?我们继续往下看。

2. Go与SSA

相对于GCC、LLVM,Go编译器还相对年轻,因此SSA加入Go的时间还不算太长。

Go SSA的工作始于Go 1.5版本实现自举之前,2015年2月初,负责编译器后端的Go团队核心成员的Keith Randall博士就在golang-dev google group上提出要让Go支持SSA的工作计划:

“我想从目前基于语法树的IR转换到更现代的基于SSA的IR。有了SSA IR,我们可以实现很多在当前编译器中难以做到的优化” - Keith Randall

同期,Keith Randall博士还编写了“New SSA Backend for the Go Compiler”文档,具体介绍了Go要支持SSA的理由以及分几步走的实现方案。

在为什么选择自己实现SSA IR,而不是转换为当时现成的诸如gcc, llvm等支持的IR形式并利用成熟后端进行中间代码优化这个问题上,Keith Randall博士给出了三点理由:

  • 从Go编译速度考虑:Go团队和社区对编译速度有着格外的青睐,Randall的目标是设计一个线性时间的SSA算法,实现快速SSA优化,但gcc, llmv等IR显然没有在速度方面给予额外的考虑;

  • 从功能完整性上考虑:Go运行时需要精确的栈帧地图(the map of stack frame),用来支持GC和栈拷贝,这些在gcc, llvm中都不会提供;

  • 从Go核心开发者的编译器使用体验方面考虑:如果使用llvm、gcc等ir,显然Go核心开发人员在编译go的时候还需要依赖llvm或gcc,这种额外的依赖对他们来说很难说是体验友好的。

2016年3月1日,在Go 1.7版本的master分支提交权限刚刚打开之后,Keith Randall就将支持ssa的dev.ssa分支合并到Go项目主线中了。

Go 1.7版本中,Go正式支持SSA,不过由于时间有限,Go 1.7 SSA仅支持针对amd64架构的优化。即便如此,Go支持SSA后,Keith Randall的benchmark显示性能提升12%,代码段缩小13%:


图:go 1.7 benchmark(图来自keith博士的slide)

Go 1.7正式发布时,其发布文档称Go程序的性能因对SSA的支持而提升5%-35%以上。由此看,Go SSA的实现达到了Keith Randall博士的预期目标,也为Go编译器后续的持续优化奠定了基础。

在2017年2月发布的Go 1.8版本中,Go SSA的支持范围扩展到其他所有Go支持的cpu架构,包括arm和arm64、mips和mips64、ppc64等。

了解了Go SSA的演进后,我们再来简单说说Go编译器中SSA的实现。

3. 转换为SSA

我们先来看看转换为SSA以及SSA优化在编译过程中所处的位置:


图:Go SSA所处的环节(图来自keith博士的slide)

上图是keith博士在2017年gophercon大会上slide中的一幅图,这幅图中明确了生成SSA形式以及SSA优化所处的环节。不过较新的Go版本中,convert to SSA之前也有一种不同于最初的抽象语法树的ir(比如:Go 1.19),SSA是由此种ir转换过来的。

从代码上来看,ir到SSA形式的转换发生在下面环节(Go 1.19版本代码,其他版本可能代码位置和内容均由不同):

// $GOROOT/src/cmd/compile/internal/gc/main.go
func Main(archInit func(*ssagen.ArchInfo)) {
    base.Timer.Start("fe", "init")

    defer handlePanic()

    archInit(&ssagen.Arch)
    ... ...

    // Compile top level functions.
    // Don't use range--walk can add functions to Target.Decls.
    base.Timer.Start("be", "compilefuncs")
    fcount := int64(0)
    for i := 0; i < len(typecheck.Target.Decls); i++ {
        if fn, ok := typecheck.Target.Decls[i].(*ir.Func); ok {
            // Don't try compiling dead hidden closure.
            if fn.IsDeadcodeClosure() {
                continue
            }
            enqueueFunc(fn)
            fcount++
        }
    }
    base.Timer.AddEvent(fcount, "funcs")

    compileFunctions()

    ... ...
}

在Main中,我们看到代码会将所有Target.Decls(函数)通过enqueueFunc入队列(compilequeue),然后调用compileFunctions来实现各个函数从AST ir到SSA形式的转换,compileFunctions在compile.go中,其实现如下:

// $GOROOT/src/cmd/compile/internal/gc/compile.go
func compileFunctions() {
    if len(compilequeue) == 0 {
        return
    }

    ... ...
    // By default, we perform work right away on the current goroutine
    // as the solo worker.
    queue := func(work func(int)) {
        work(0)
    }
    ... ...

    var compile func([]*ir.Func)
    compile = func(fns []*ir.Func) {
        wg.Add(len(fns))
        for _, fn := range fns {
            fn := fn
            queue(func(worker int) {
                ssagen.Compile(fn, worker)
                compile(fn.Closures)
                wg.Done()
            })
        }
    }
    types.CalcSizeDisabled = true // not safe to calculate sizes concurrently
    base.Ctxt.InParallel = true

    compile(compilequeue)
    ... ...
}

在compileFunctions中我们看到,编译器从compilequeue取出AST IR形式的函数,并调用ssagen.Compile将其编译为SSA形式。下面是ssagen.Compile的代码:

// $GOROOT/src/cmd/compile/internal/ssagen/pgen.go

// Compile builds an SSA backend function,
// uses it to generate a plist,
// and flushes that plist to machine code.
// worker indicates which of the backend workers is doing the processing.
func Compile(fn *ir.Func, worker int) {
    f := buildssa(fn, worker)
    // Note: check arg size to fix issue 25507.
    if f.Frontend().(*ssafn).stksize >= maxStackSize || f.OwnAux.ArgWidth() >= maxStackSize {
        largeStackFramesMu.Lock()
        largeStackFrames = append(largeStackFrames, largeStack{locals: f.Frontend().(*ssafn).stksize, args: f.OwnAux.ArgWidth(), pos: fn.Pos()})
        largeStackFramesMu.Unlock()
        return
    }
    pp := objw.NewProgs(fn, worker)
    defer pp.Free()
    genssa(f, pp)
    // Check frame size again.
    // The check above included only the space needed for local variables.
    // After genssa, the space needed includes local variables and the callee arg region.
    // We must do this check prior to calling pp.Flush.
    // If there are any oversized stack frames,
    // the assembler may emit inscrutable complaints about invalid instructions.
    if pp.Text.To.Offset >= maxStackSize {
        largeStackFramesMu.Lock()
        locals := f.Frontend().(*ssafn).stksize
        largeStackFrames = append(largeStackFrames, largeStack{locals: locals, args: f.OwnAux.ArgWidth(), callee: pp.Text.To.Offset - locals, pos: fn.Pos()})
        largeStackFramesMu.Unlock()
        return
    }

    pp.Flush() // assemble, fill in boilerplate, etc.
    // fieldtrack must be called after pp.Flush. See issue 20014.
    fieldtrack(pp.Text.From.Sym, fn.FieldTrack)
}

这里贴出了Compile的完整实现,Compile函数中真正负责生成具有SSA属性的中间代码的是buildssa函数,看了一下buildssa函数有近300行代码,有点复杂,这里挑挑拣拣,把主要的调用摘录出来:

// $GOROOT/src/cmd/compile/internal/ssagen/ssa.go

// buildssa builds an SSA function for fn.
// worker indicates which of the backend workers is doing the processing.
func buildssa(fn *ir.Func, worker int) *ssa.Func {
    name := ir.FuncName(fn)
    ... ...

    // Convert the AST-based IR to the SSA-based IR
    s.stmtList(fn.Enter)
    s.zeroResults()
    s.paramsToHeap()
    s.stmtList(fn.Body)

    // fallthrough to exit
    if s.curBlock != nil {
        s.pushLine(fn.Endlineno)
        s.exit()
        s.popLine()
    }
    ... ...

    // Main call to ssa package to compile function
    ssa.Compile(s.f)
    ... ...
}

buildssa中的ssa.Compile咱们后续再看,那个涉及到SSA的多轮(pass)优化,我们看一下从基于AST形式的IR到基于SSA形式的IR的转换,无论是fn.Enter还是fn.Body,本质都是一组ir Node,stmtList将这些node逐个转换为SSA形式。Go提供了可视化的ssa dump工具,我们可以更直观的来看一下。

Go语言隶属于命令式编程语言(imperative programming language),这类编程范式有三大典型控制结构:顺序结构、选择结构和循环结构,我们先来看看一个最简单的顺序结构是如何翻译为SSA的:

// github.com/bigwhite/experiments/tree/master/ssa-examples/sequential.go

package main

func sum(a, b, c int) int {
    d := a + b
    e := d + c
    return e
}

func main() {
    println(sum(1, 2, 3))
}

我们通过下面命令来生成函数sum的SSA转换过程:

$GOSSAFUNC=sum go build sequential.go
dumped SSA to ./ssa.html
$mv ssa.html ssa-sequential.html
$open ./ssa-sequential.html

上面的open命令会在本地打开浏览器并显示ssa-sequential.html页面:

上图中,最左侧是源码(源码显示两次,感觉是bug),中间的是AST形式的IR,最右侧的框框中就是Go编译器生成的第一版SSA,为了更好说明,我们将其贴到下面来:

// github.com/bigwhite/experiments/tree/master/ssa-examples/ssa-sequential.html

b1:-
  v1 (?) = InitMem <mem>
  v2 (?) = SP <uintptr>
  v3 (?) = SB <uintptr>
  v4 (?) = LocalAddr <*int> {a} v2 v1
  v5 (?) = LocalAddr <*int> {b} v2 v1
  v6 (?) = LocalAddr <*int> {c} v2 v1
  v7 (?) = LocalAddr <*int> {~r0} v2 v1
  v8 (3) = Arg <int> {a} (a[int])
  v9 (3) = Arg <int> {b} (b[int])
  v10 (3) = Arg <int> {c} (c[int])
  v11 (?) = Const64 <int> [0]
  v12 (+4) = Add64 <int> v8 v9 (d[int])
  v13 (+5) = Add64 <int> v12 v10 (e[int])
  v14 (+6) = MakeResult <int,mem> v13 v1
Ret v14 (+6)

name a[int]: v8
name b[int]: v9
name c[int]: v10
name d[int]: v12
name e[int]: v13

从结构上来看,SSA分为两部分,一部分是由b1、Ret组成的blocks,另一部分则是命名变量与SSA value的对应关系。

在SSA中,一个block代表了一个函数控制流图(control flow graph)中的基本代码块(basic block),从代码注释中可以看到SSA有四种block类型:Plain,If、Exit和Defer:

// $GOROOT/src/cmd/compile/internal/ssa/block.go

// BlockKind is the kind of SSA block.
//
//    kind          controls        successors
//  ------------------------------------------
//    Exit      [return mem]                []
//   Plain                []            [next]
//      If   [boolean Value]      [then, else]
//   Defer             [mem]  [nopanic, panic]  (control opcode should be OpStaticCall to runtime.deferproc)
type BlockKind int16

但实际的BlockKind已经与注释不一致了,opGen.go是一个自动生成的文件,其中的BlockKind类型的常量值有数十个,即便滤掉CPU架构相关的常量,剩下的还有8个(从BlockPlain到BlockFirst):

// $GOROOT/src/cmd/compile/internal/ssa/opGen.go

const (
    BlockInvalid BlockKind = iota
    ... ...

    BlockPlain
    BlockIf
    BlockDefer
    BlockRet
    BlockRetJmp
    BlockExit
    BlockJumpTable
    BlockFirst
)

上面的sum函数的SSA代码例子中,b1应该就是Plain类型的,Ret显然是BlockRet类型。

Plain类型的Block中是一组values,value是SSA的基本构成要素。根据SSA的定义,一个value只能被精确地定义一次,但是它可以被使用任意多次。如示例,一个value主要包括一个唯一的标识符,一个操作符,一个类型和一些参数,下面的Value类型的LongString和LongHTML方法返回的字符串更能说明Value的格式。尤其是LongHTML方法就是输出ssa html中内容的方法:

// $GOROOT/src/cmd/compile/internal/ssa/value.go

// long form print.  v# = opcode <type> [aux] args [: reg] (names)
func (v *Value) LongString() string {
    ... ...
}

// $GOROOT/src/cmd/compile/internal/ssa/html.go
func (v *Value) LongHTML() string {
    // TODO: Any intra-value formatting?
    // I'm wary of adding too much visual noise,
    // but a little bit might be valuable.
    // We already have visual noise in the form of punctuation
    // maybe we could replace some of that with formatting.
    s := fmt.Sprintf("<span class=\"%s ssa-long-value\">", v.String())

    linenumber := "<span class=\"no-line-number\">(?)</span>"
    if v.Pos.IsKnown() {
        linenumber = fmt.Sprintf("<span class=\"l%v line-number\">(%s)</span>", v.Pos.LineNumber(), v.Pos.LineNumberHTML())
    }

    s += fmt.Sprintf("%s %s = %s", v.HTML(), linenumber, v.Op.String())

    s += " &lt;" + html.EscapeString(v.Type.String()) + "&gt;"
    s += html.EscapeString(v.auxString())
    for _, a := range v.Args {
        s += fmt.Sprintf(" %s", a.HTML())
    }
    r := v.Block.Func.RegAlloc
    if int(v.ID) < len(r) && r[v.ID] != nil {
        s += " : " + html.EscapeString(r[v.ID].String())
    }
    var names []string
    for name, values := range v.Block.Func.NamedValues {
        for _, value := range values {
            if value == v {
                names = append(names, name.String())
                break // drop duplicates.
            }
        }
    }
    if len(names) != 0 {
        s += " (" + strings.Join(names, ", ") + ")"
    }

    s += "</span>"
    return s
}

以例子中的v12这一个value为例:

  v12 (+4) = Add64 <int> v8 v9 (d[int])
  • v12是该value的唯一标识符,其中的12为ID,ID是从1开始的整数;
  • (+4)是对应的源码的行号;
  • Add64是操作符;
  • 是value的类型(v.Type());
  • v8, v9则是Add64操作符的参数;
  • (d[int])是v12对应的LocalSlot,LocalSlot代表栈帧上的一个位置(location),用来识别和存储输出参数、输出参数或其他变量node。

ssa dump输出的另一部分则是命名变量与SSA value的对应关系,其格式也是:name LocalSlot: value:

name a[int]: v8
name b[int]: v9
name c[int]: v10
name d[int]: v12
name e[int]: v13

输出上述第二部分的代码如下:

// $GOROOT/src/cmd/compile/internal/ssa/print.go
func (p stringFuncPrinter) named(n LocalSlot, vals []*Value) {
    fmt.Fprintf(p.w, "name %s: %v\n", n, vals)
}

顺序结构的代码执行流是从上到下的,每个block后面仅有一个后继block,这样的SSA转换较为好理解。

下面我们再来看看一个选择控制结构 – if控制语句的ssa,下面是我们的示例Go源码:

// github.com/bigwhite/experiments/tree/master/ssa-examples/selection_if.go

package main

func foo(b bool) int {
    if b {
        return 2
    }
    return 3
}

func main() {
    println(foo(true))
}

我们通过下面命令输出函数foo的SSA中间代码:

$GOSSAFUNC=foo go build selection_if.go
dumped SSA to ./ssa.html
$mv ssa.html ssa-selection-if.html
$open ./ssa-selection-if.html

open命令启动浏览器显示foo函数的SSA形式:

有了上面关Go SSA格式的基础,这段SSA代码分析起来就容易一些了。

这段SSA中有多个block,包括plain block、if block、ret block等。我们重点关注SSA对if语句的处理。

经典SSA转换理论中,SSA将if分支转换为带有Φ函数的SSA代码(如下图):


图:if语句的SSA转换(图来自keith博士的slide)

Φ函数(希腊字母fài)是代码中的一个merge point,它可以将其前置的n个block的执行路径汇聚在一起。不过它仅用于代码分析使用,最终生成的代码中并不会有Φ函数的存在。关于在何处插入Φ函数等算法太理论了,这里就不展开了。

我们看看现实中go针对if语句的处理:

b1:
  v1 (?) = InitMem <mem>
  v2 (?) = SP <uintptr>
  v3 (?) = SB <uintptr>
  v4 (?) = LocalAddr <*bool> {b} v2 v1
  v5 (?) = LocalAddr <*int> {~r0} v2 v1
  v6 (3) = Arg <bool> {b} (b[bool])
  v7 (?) = Const64 <int> [0]
  v8 (?) = Const64 <int> [2]
  v11 (?) = Const64 <int> [3]
If v6 → b3 b2 (4)

b2: ← b1
  v13 (7) = Copy <mem> v1
  v12 (7) = MakeResult <int,mem> v11 v13
Ret v12 (+7)

b3: ← b1
  v10 (5) = Copy <mem> v1
  v9 (5) = MakeResult <int,mem> v8 v10
Ret v9 (+5)

name b[bool]: v6

这里关键是if block,if判断v6即变量b的值,如果为true,代码执行就流向block b3,否则流向block b2。

下面的b2、b3 block也都包含了前置block的属性,以b2为例,对于来自b1 block的流,执行对应block的代码。基于switch的选择语句更为复杂,有兴趣的朋友可以自己看一下ssa-selection-switch.html。

我们最后看一下循环结构,下面是Go代码:

// github.com/bigwhite/experiments/tree/master/ssa-examples/for_loop.go
package main

func sumN(n int) int {
    var r int
    for i := 1; i <= n; i++ {
        r = r + i
    }
    return r
}

func main() {
    println(sumN(10))
}

其生成的SSA如下图:

我们看到循环结构的ssa block更多,流向更为复杂,如果将其转换为一张图的话,那就应该是这样的:

我们看到:无论是选择结构还是循环结构,SSA实质上构建了一个函数的控制流图(control flow graph),图中每个节点就是一个block,函数的执行控制流在各个block间转移。而后续基于SSA的优化就是基于block中value的仅赋值一次的特性以及block的控制流图进行的

接下来,我们简单看看目前Go基于SSA IR都做了哪些优化。

4. 基于SSA的多轮(pass)优化

buildssa函数中ssa.Compile调用执行了基于SSA IR的多轮(passes)优化:

// $GOROOT/src/cmd/compile/internal/ssa/compile.go

func Compile(f *Func) {
    ... ...
    for _, p := range passes {
        ... ...
        tStart := time.Now()
        p.fn(f)
        tEnd := time.Now()
        ... ...
    }
}

我们看到,针对某个函数,Compile函数对其安装预置的passes进行多轮优化,都有哪些pass呢?我们来看看:

// $GOROOT/src/cmd/compile/internal/ssa/compile.go

// list of passes for the compiler
var passes = [...]pass{
    {name: "number lines", fn-3693: numberLines, required: true},
    {name: "early phielim", fn-3693: phielim},
    {name: "early copyelim", fn-3693: copyelim},
    {name: "early deadcode", fn-3693: deadcode}, // remove generated dead code to avoid doing pointless work during opt
    {name: "short circuit", fn-3693: shortcircuit},
    {name: "decompose user", fn-3693: decomposeUser, required: true},
    {name: "pre-opt deadcode", fn-3693: deadcode},
    ... ...
    {name: "regalloc", fn-3693: regalloc, required: true},   // allocate int & float registers + stack slots
    {name: "loop rotate", fn-3693: loopRotate},
    {name: "stackframe", fn-3693: stackframe, required: true},
    {name: "trim", fn-3693: trim}, // remove empty blocks
}

粗略数了一下,这里约有50个pass(其中包含多轮的deadcode清理),每个pass执行的代码都位于$GOROOT/src/cmd/compile/internal/ssa目录下,我们也可以通过dump出的html查看每一pass后得到的SSA结果,以ssa-sequential.html为例,其多轮优化的示意图如下:

点击浏览器页面上的黑体字优化标题(比如:lowered deadcode for cse),这一步产生的SSA代码都会显示出来,最后一个框框中是基于SSA生成目标架构的汇编代码。

每一个pass都有其独特性,比如cse,代表Common Subexpression Elimination(共同子表达式删除) ,下面是一个cse优化的例子:

y = x + 5
...
z = x + 5

cse优化后(前提中间过程中x值没变过):

y = x + 5
...
z = y

在这个示例中,经过一轮cse,Go便可以节省下一次没必要的加法运算(z = x + 5)。别看一次加法运算不起眼,积累多了也是不小的性能提升,

如果你对某一pass的优化动作感兴趣,可以对照$GOROOT/src/cmd/compile/internal/ssa目录下的代码与浏览器中生成的SSA来对其进行深入研究。

5. 小结

编译器后端的逻辑总是很难理解的,本文对Go编译器与SSA的渊源、Go编译器中驱动SSA转换和优化的环节以及Go生成的SSA的形式与过程做了介绍,算是对SSA入了个门。但要想真正搞懂SSA转换以及基于SSA的优化步骤的细节,认真阅读SSA相关的paper和资料(见参考资料)以及相关code是不可或缺的。

本文涉及的代码在这里可以下载。

6. 参考资料

  • 《编译原理(第二版)》- https://book.douban.com/subject/3296317/
  • SSA: Static Single-Assignment Form – https://www.slideserve.com/heidi-farmer/ssa-static-single-assignment-form
  • 《Static Single Assignment Book》 – https://pfalcon.github.io/ssabook/latest/book-full.pdf
  • Static single-assignment form – https://en.wikipedia.org/wiki/Static_single_assignment_form
  • GopherCon 2017: Keith Randall – Generating Better Machine Code with SSA – https://about.sourcegraph.com/blog/go/generating-better-machine-code-with-ssa
  • Generating Better Machine Code with SSA(slide) – https://raw.githubusercontent.com/gophercon/2017-talks/master/KeithRandall-GeneratingBetterMachineCodeWithSSA/GeneratingBetterMachineCodeWithSSA.pdf
  • New SSA Backend for the Go Compiler – https://docs.google.com/document/d/1szwabPJJc4J-igUZU4ZKprOrNRNJug2JPD8OYi3i1K0/edit

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