Go 语言原本 under the hood
Go 语言原本
第 2 章 · 汇编与调用约定

2.1 Plan 9 汇编语言

读 Go 运行时的源码，迟早会撞见一种看起来既像汇编、又不太像任何熟悉汇编的代码，那是 Go 的 Plan 9 风格汇编。剖析调度器、栈切换、原子操作时我们会反复回到它：gogo、mcall、 morestack、asyncPreempt 都是汇编例程。本节解释它是什么、为何存在、以及读懂它需要的几个 关键概念。我们不求让读者会写 Plan 9 汇编，那是另一本书的内容，但求把它变成一份阅读词汇表： 当后文提到某个汇编例程时，读者知道它身处的是怎样一个抽象层，每个符号各指向什么。

本节示例取自 runtime/asm_amd64.s 与 internal/runtime/atomic。这些例程在各版本间相当稳定， 为聚焦设计，我们对个别与本节无关的实验性分支（如 GOEXPERIMENT 守卫）做了裁剪，完整定义 请对照对应源文件。

2.1.1 为什么 Go 要有自己的汇编

Go 的汇编源自 Plan 9 操作系统的汇编器传统。Plan 9 是贝尔实验室在 Unix 之后的研究型系统， Go 的几位设计者（Ken Thompson、Rob Pike、Russ Cox）正是从那里走来，把那套工具链的思路一并带进了 Go。它的关键特征是：它不是某一种 CPU 的原生汇编，而是一种半抽象、跨架构统一的中间汇编。 同一套语法、同一批伪指令与伪寄存器，由工具链 cmd/asm 翻译到 amd64、arm64、riscv64 等各目标 架构的真实指令。这与 GNU as 那种「每个架构一套方言」的设计截然不同。

这个选择服务于 Go 最初的一个硬目标：一套工具链、交叉编译开箱即用。当汇编层本身就是跨架构的， 为新架构移植运行时就退化成「为这套统一语法补一个后端」，而不是「重学一门汇编再重写一遍运行时」。 代价同样真实：Go 要自己维护汇编器、链接器与目标文件格式（cmd/internal/obj），多养一整套基础设施。 买到的是对代码生成、调用约定、与运行时协同的完全掌控，这条「自己造而非复用现成件」的取舍， 会在 2.3 调用约定 的自定义 ABI 与 6.1 的函数调用里 再次出现，是理解 Go 运行时的一条主线。

那么 Go 为什么需要下到汇编？绝大多数 Go 代码当然不碰它，但运行时有少数地方编译器无能为力， 必须由人手写机器层的胶水：

  • 栈切换。gogo 与 mcall（9.4）要直接把 SP、PC 从一个 goroutine 的现场换到另一个，这是高级语言里没有的操作。
  • 栈增长的序言。morestack 在栈不够时被调用，它要在切到 g0 栈之前精确保存当前函数的现场。
  • 原子操作。CAS、原子加等要发特定的 CPU 指令（如带 LOCK 前缀的 CMPXCHG），编译器不会 凭空生成。
  • 信号与系统调用入口。信号处理时的现场保存与恢复（9.6）、 syscall 的进出，都需要绕过编译器精确摆布寄存器。

这些地方的共同点是：它们操作的对象正是「执行的现场」本身（栈指针、程序计数器、寄存器）， 而高级语言恰恰把这些藏了起来。汇编是运行时与硬件之间那最后一层薄薄的、不可省略的胶水。

2.1.2 四个伪寄存器

Plan 9 汇编最容易让人困惑、也最该先弄懂的，是它的伪寄存器。它们不一定对应某个真实的物理 寄存器，而是工具链提供的抽象：你用它们表达意图（「第一个参数」「第二个局部变量」「某全局符号」）， 由 cmd/asm 负责把这套意图落到各架构真实的寄存器与寻址方式上。正是这层抽象，让同一份汇编能跨 架构复用。共有四个：

  • FP（Frame Pointer，帧指针）：访问函数的输入参数与返回值，以符号加偏移给出，如 ptr+0(FP)、ret+16(FP)。参数位于调用方栈帧中，FP 指向它们的基址。
  • SP（Stack Pointer，栈指针）：访问当前函数的局部变量，如 x-8(SP)。注意这是伪寄存器 SP，与硬件 SP 含义不同，见下文的陷阱。
  • PC（Program Counter，程序计数器）：当前指令地址，用于跳转与分支。
  • SB（Static Base，静态基址）：访问全局符号，如 runtime·gogo(SB)。所有函数名、全局变量名 都作为 SB 的偏移给出，可以把 SB 理解为「整个地址空间的起点」。

一句话记法：FP 管参数、SP 管局部、SB 管全局、PC 管跳转。这四者把一个函数运行时要触及的 三类数据（传进来的、自己临时的、外部全局的）和控制流分别命了名。下图画出前三者在一次调用中 各指向何处：

flowchart TB
    subgraph caller["调用方栈帧（高地址）"]
        ret["返回值槽 ret+16(FP)"]
        args["参数 ptr+0(FP) / old+8(FP) / new+12(FP)"]
        retaddr["返回地址"]
    end
    subgraph callee["被调函数栈帧（低地址）"]
        locals["局部变量 x-8(SP) ..."]
    end
    FP["伪寄存器 FP"] -.指向.-> args
    SP["伪寄存器 SP"] -.指向.-> locals
    SB["伪寄存器 SB"] -.指向.-> GLOBAL["全局符号 runtime·foo(SB)"]

栈在多数架构上向低地址生长：参数与返回值由调用方备好，落在较高的地址，用 FP 加正偏移访问； 被调函数的局部变量落在较低的地址，用 SP 加负偏移访问。理解了这张图，运行时里那些汇编例程 就从天书变成了「对栈与寄存器的精确读写」。

一个反复绊倒读者的陷阱：伪 SP 与硬件 SP

Plan 9 里有两个 SP，它们写法不同、含义不同：

  • 带符号名的 sym+offset(SP)，如 x-8(SP)，指的是伪寄存器 SP，相对当前栈帧的局部变量区。
  • 不带符号名的 offset(SP)，如 0(SP)、8(SP)，指的是硬件栈指针 SP，是真实的机器寄存器。

二者的偏移基准不同，混淆会读出完全错误的地址。一个实用的判别法是看有没有符号名：有名字（x-8(SP)） 就是伪 SP，访问的是局部变量；裸偏移（8(SP)）就是硬件 SP，多用在压栈传参或在 morestack 这类直接摆布机器栈的例程里。这正是「阅读词汇表」要替读者拆掉的第一个雷。

掌握了伪寄存器与寻址语法之后，下一步是把它们用在一段完整例程上：一个手写汇编函数如何声明 自己的符号、如何申明栈帧大小。这正是 2.2 汇编中的栈帧与符号 要做的事，那里会用 Cas、gogo、morestack 三段真实例程把这些约定逐处对上号。

延伸阅读的文献

  1. The Go Authors. A Quick Guide to Go’s Assembler. https://go.dev/doc/asm （伪寄存器、寻址、TEXT/DATA/GLOBL 与帧大小说明的权威参考）
  2. Rob Pike. A Manual for the Plan 9 Assembler. https://9p.io/sys/doc/asm.html （Go 汇编语法的直接源头）
  3. Rob Pike. How to Use the Plan 9 C Compiler. http://doc.cat-v.org/plan_9/2nd_edition/papers/comp （Plan 9 工具链与寄存器约定的背景）
  4. The Go Authors. cmd/asm、cmd/internal/obj. https://github.com/golang/go/tree/master/src/cmd/asm （把统一汇编翻译到各架构后端的实现）
  5. 本书 2.2 汇编中的栈帧与符号（Cas/gogo/morestack 例程）、 2.3 调用约定与寄存器 ABI（自定义 ABI）、 6.1 函数调用.