Go 语言原本 Go 语言原本
English

2.1 Plan 9 汇编语言

打开 runtime/asm_amd64.s，可以看到这样的代码（Go 1.26）：

1
2
3
4
5

TEXT runtime·gogo(SB), NOSPLIT, $0-8
	MOVQ	buf+0(FP), BX		// gobuf
	MOVQ	gobuf_g(BX), DX
	MOVQ	0(DX), CX		// make sure g != nil
	JMP	gogo<>(SB)

它看起来像 x86 汇编，却与 Intel 手册中的写法不符：指令名为 MOVQ，操作数中出现了 (SB)、(FP)，函数名中还夹着一个 ·。这是 Go 自己的汇编语言，其写法源自 Plan 9 操作系统。Go 1.26 的 runtime 目录中共有 182 个 .s 文件（涵盖各种体系结构与操作系统），讨论调度、栈和信号的章节会反复引用它们。

本节讨论三个问题：Go 中哪些代码必须用汇编编写，Go 为何拥有一套自己的汇编语言，以及其中最容易误读的几个记号。

2.1.1 汇编的用途

amd64 有 16 个 64 位通用寄存器（register），在 Go 汇编中写作 AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP 以及 R8 至 R15；用于浮点与向量运算的寄存器写作 X0、X1 等。其中两个寄存器具有专门的用途：程序计数器（program counter，PC）保存下一条待执行指令的地址，跳转即改写它；栈指针（stack pointer，SP）指向当前栈顶。每个 goroutine 都有自己的栈，函数调用时由高地址向低地址占用一段空间，返回时释放。

Go 代码几乎全部由编译器翻译为机器指令，只有以下几类工作需要手写汇编：

  • 切换 goroutine：同时把 SP 与 PC 替换为另一个 goroutine 保存的值（gogo、mcall）。Go 语言中没有改写栈指针的语句。
  • 原子操作：比较并交换等操作需要使用处理器提供的专门指令，例如 amd64 上带 LOCK 前缀的 CMPXCHG。
  • 与操作系统交互：发起系统调用、接收信号时，数据必须按操作系统的约定放入指定的寄存器。
  • 少数热点代码：memmove、字符串查找以及部分密码算法，改用一次处理多个数据的向量指令手写，性能可以提高数倍。

2.1.2 来历：继承自 Plan 9 的工具链

Plan 9 是贝尔实验室继 Unix 之后开发的操作系统，Go 最初的设计者中，Ken Thompson 与 Rob Pike 都曾参与其中。1990 年前后，Thompson 为 Plan 9 编写了一组 C 编译器，每种体系结构一个 [Thompson, 1990] [Pike, n.d.b]；Pike 则为与之配套的汇编语言撰写了手册 [Pike, n.d.a]。

这组工具的分工与传统工具链不同。编译器和汇编器输出的目标文件中，指令尚未编码为处理器最终执行的字节序列；链接器（Plan 9 称为 loader）兼任汇编器的后半部分与全局优化器，在合并所有文件时才确定每条指令的具体编码。汇编语言因此可以比机器指令高一个层次：程序员写的是「把这个常数放入 R0」，需要一条还是几条机器指令完成，由工具决定。Thompson 在论文的结论中对这一设计的评价是：编译很快，链接很慢 [Thompson, 1990]。

Go 起初沿用了这种做法，代价同样是链接缓慢：每链接一个程序，所有包的指令都要重新处理一遍。Go 1.3（2014 年）把指令编码移到编译每个包的阶段，每个包只需处理一次 [Cox, 2013]；Go 1.5 又把整个工具链从 C 改写为 Go。如今的构建流程如下：

foo.go ──► cmd/compile ──┐
                         ├──► cmd/internal/obj ──► foo.o ──► cmd/link ──► 可执行文件
foo.s  ──► cmd/asm ──────┘

编译器与汇编器把结果交给同一个公共库 cmd/internal/obj，由它确定最终的机器指令 [Go Authors, 2026b]，并在每个函数开头插入栈空间检查（2.4）。链接器 cmd/link 只负责合并各个包并完成地址重定位（3.4）。手写的汇编函数与编译生成的函数经由同一条路径，受到相同的处理。

汇编语言高于机器指令一层的设计也保留了下来。arm64 的每条指令长 4 字节，无法容纳 0x123456789 这样大的立即数。在 arm64 汇编中写一条 MOVD $0x123456789, R0，交叉编译到 linux/arm64 后用 go tool objdump 查看，它被展开为三条指令，每条装入 16 位：

MOVD $26505, R0        // 0x6789
MOVK $(9029<<16), R0   // 0x2345，写入第 16 至 31 位
MOVK $(1<<32), R0      // 0x1，写入第 32 至 47 位

2.1.3 取舍

这一设计换来的是各种体系结构上一致的写法。指令名仍随体系结构而不同，amd64 写作 MOVQ，arm64 写作 MOVD；但操作数一律源在前、目标在后，数据宽度一律由指令名的最后一个字母表示（B、W、L、Q 分别表示 1、2、4、8 字节），函数、参数和局部变量的写法处处相同。掌握了一种体系结构上的 Go 汇编，换到另一种只需查阅指令表。所有体系结构的支持都集中在同一套工具中，交叉编译也无须另行安装工具链 [Pike, 2016]，GOOS=linux GOARCH=amd64 go build 在任何机器上都可以直接执行。

付出的代价是与外部生态的隔阂。Go 汇编与 Intel 语法、GNU 汇编器（AT&T 语法）都不相同，从其他来源引入的汇编代码需要改写；Go 也必须自行维护汇编器、链接器和目标文件格式，每支持一种新的体系结构，都需要编写相应的代码。

2.1.4 四个伪寄存器

Go 汇编中最容易误读的，是四个形似寄存器、实际并不存在的记号，称为伪寄存器（pseudo-register）[Go Authors, 2026a]。汇编器会把它们换算为真实寄存器加偏移的形式：

记号用于定位示例
FP本函数的参数与返回值a+0(FP)、ret+16(FP)
SP本函数的局部变量x-8(SP)
SB函数与全局变量runtime·gogo(SB)
PC邻近的指令，用于跳转JMP 2(PC)

SB（static base）表示程序地址空间的起点，runtime·gogo(SB) 即函数 runtime.gogo 的地址。中点 · 对应 Go 中的 .；省略包名写作 ·gogo(SB) 时，指当前包中的 gogo。

通过 FP 访问参数时必须带上参数名，且偏移必须与 Go 中的函数声明一致。func add(a, b int) int 的参数写作 a+0(FP)、b+8(FP)，返回值写作 ret+16(FP)。处理器只使用偏移，名字供阅读者和 go vet 核对：若把 b+8(FP) 误写为 b+4(FP)，go vet 会报告 invalid offset b+4(FP); expected b+8(FP)。

最容易出错的是 SP。amd64 本身就有一个名为 SP 的硬件寄存器，Go 汇编依据记号前是否带有名字区分二者：x-8(SP) 带有名字，指伪寄存器，自局部变量区的顶端向下计算；8(SP) 不带名字，指硬件栈指针，自栈的最低端向上计算。二者相差整个局部变量区的大小。2.2 将以一段真实的反汇编，把这些记号换算为实际的地址。

延伸阅读