Golang编译导致的代码错觉

背景

网上看到一段代码，来源是Golang 编译器优化那些事，百思不得其解。本篇文章主要是分析以下代码，一方面是知其然知其所以然，另一方面也是避免以后掉进类似的深坑。

分析代码

func main() {var a byte = (1 << uint(len(s))) / 128           // 编译器计算var b byte = (1 << uint(len(s[:]))) / 128        // 运行时计算, 溢出了var c byte = byte(int(1<<uint(len(s[:]))) / 128) // 运行时计算，用int 所以没有溢出fmt.Println(a, b, c)
}# 输出结果
a:4
b:0:
c:4

从直觉上来看a,b,c的行为应该是类似的，区别是a的len(s)可以直接获取到长度，b和c因为涉及到切片操作，需要在runtime层计算。但这个结果还是很费解。

疑问

1. a在汇编的时候表现是什么样子的？为什么说是编译器计算？
2. b为什么是0，512/128=4才对? 为什么是0？
3. c和b的行为也不一样，只是多了个int类型转换
4. 以上行为出现的理论支撑是什么

直接上汇编

# 带优化的编译
go build -o demo ./demo.go
# 输出汇编，查看demo的main函数
go tool objdump -S -s main.main demo# 结果
func main() {0x4808e0              493b6610                CMPQ SP, 0x10(R14)0x4808e4              7673                    JBE 0x4809590x4808e6              55                      PUSHQ BP0x4808e7              4889e5                  MOVQ SP, BP0x4808ea              4883ec58                SUBQ $0x58, SPfmt.Println(a, b, c)

从最终汇编上看不出来什么东西，因为编译器做了太多优化。我们可以用gdb调试去查看生成的汇编以及对应的代码行，会更加清晰一些。
关于gdb调试go程序可以参考我之前的文章：Golang汇编之通过map地址找到value的值_golang如何获取map中的每个value-CSDN博客

gdb调试优化后的汇编

gdb demo // 开始调试
b main.main // 打断点
run // 运行程序
layout split // 查看源码和汇编
si // 根据汇编指令一次一行的查看

结果如下：

1. abc在最终汇编中都是常量，编译器做过优化了
2. 以上汇编看不到内部都经过哪些转换以及runtime层都做了什么
3. 出现了runtime.staticunit64s? 这个是什么意思？

staticunit64s

在go源码中通过rg搜索 staticunit64s，发现在runtime/iface.go中有如下代码。
看起来是为了避免分配小整数值。这里一共有256个，通过地址偏移量来找到0-255的值。
例如上面汇编中的staticuint64s+32意思是偏移32为，打印地址结果确实是4.

可以参考： https://g4s8.wtf/posts/go-low-latency-one/

查看禁止优化后的汇编

# 编译命令: go build -gcflags="-S -N -l" demo.goFUNCDATA        $2, main.main.stkobj(SB)MOVB    $4, main.a+33(SP)LEAQ    go:string."123456789"(SB), DXMOVQ    DX, main..autotmp_3+120(SP)MOVQ    $9, main..autotmp_3+128(SP)MOVQ    $9, main..autotmp_4+40(SP)MOVB    $0, main.b+32(SP)LEAQ    go:string."123456789"(SB), DXMOVQ    DX, main..autotmp_3+120(SP)MOVQ    $9, main..autotmp_3+128(SP)MOVQ    $9, main..autotmp_4+40(SP)MOVB    $4, main.c+31(SP)

这里可以看到，变量a直接作为常量赋值了。
变量b和变量c是有计算过程的，但是有一些注意的点：

MOVQ: 用于将64位的数据从源操作数移动到目标操作数。
MOVB: 用于将8位的数据从源操作数移动到目标操作数。

从代码上也能理解，毕竟我们的a,b,c类型都是byte类型，使用MOVB是合适的。

main…autotmp_3-16(SP) 和 main.b-112(SP) 实际上指向堆栈指针 SP 的偏移位置。autotmp_xx是 runtime 临时变量，反映当前栈帧指针位置。

所以现在的疑问变成了中间计算过程的临时变量类型是什么？是int还是byte?

查看编译过程的SSA

生成SSA

GOSSAFUNC=main go build -gcflags="-N -l" ./demo.go

默认会在当前目录生成个ssa.html，我们可以浏览器打开查看。

b对应的SSA

可以看到中间计算过程的临时变量类型都是byte。那么基本上破案了，byte的类型范围是0-255，我们中间计算的1 << 9的结果是512，从这一步开始就溢出了，所以结果为0. 0/128的结果还是0，因此b=0!

c对应的SSA

可以看到在计算c的时候，因为有int转换类型，中间变量类型都是int类型，因此没有溢出。

go官方文档的解释

以上go编译器的行为理论上来说都能从go的文档中找到蛛丝马迹。我们可以搜索"go spec"来查看文档。
说实话没有找到直接关于这部分的描述，只有以下一句比较符合：
链接： https://go.dev/ref/spec#Constants

An untyped constant has a default type which is the type to which the 
constant is implicitly converted in contexts where a typed value is 
required, for instance, in a short variable declaration such as 
i := 0 where there is no explicit type. The default type of an 
untyped constant is bool, rune, int, float64, complex128, 
or string respectively, depending on whether it is a boolean, rune, 
integer, floating-point, complex, or string constant.

对于没有明确类型指定的常量来说，会默认转换成目标类型，也就是byte.
虽然可以这么理解，但仍然是比较反直觉的，我们可以看看c语言的表现如何。

对比C语言的表现

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdint.h> // For uint8_t// b=4
void calculate_and_print_b_4(char* s) {unsigned char b = (1 << strlen(s)) / 128;printf("b: %u\n", b);
}// b=0
void calculate_and_print_b_0(char* s) {unsigned char b = (uint8_t)(1 << strlen(s)) / 128;printf("b: %u\n", b);
}int main() {char s[] = "123456789";calculate_and_print_b_0(s);return 0;
}

通过gcc编译，然后运行查看：

gcc test.c
./a.out

我们可以看到，如果仿照go的写法，默认输出是4，而不是0.
C语言是计算结束，然后转换成目标类型，和go的表现不一样，更符合直觉。

如果想重现b=0也简单，直接把中间的类型强制转换成uint8即可。

总结

为什么要分析这段程序，主要是觉得坑挺多的，一不小心代码就会出bug，而且还是难以排查的bug。想要避免类似的问题，要么是熟悉go的规范，要么就是尽量写一些“朴实无华”的代码。

越发明白大佬说的那句话，编程语言玩到最后玩的就是规范。虽然go的规范有点晦涩难懂，但我们可以通过遇到的问题去跟规范对照起来理解，也算是一种进步的方式吧。
尽量不要错过深究的机会，也许深究下去会得到更多呢？
end