23 生成汇编代码（二）：把脚本编译成可执行文件 学完两节课之后，对于后端编译过程，你可能还会产生一些疑问，比如：

1.大致知道汇编程序怎么写，却不知道如何从AST生成汇编代码，中间有什么挑战。

2.编译成汇编代码之后需要做什么，才能生成可执行文件。

本节课，我会带你真正动手，基于AST把playscript翻译成正确的汇编代码，并将汇编代码编译成可执行程序。

通过这样一个过程，可以实现从编译器前端到后端的完整贯通，帮你对编译器后端工作建立比较清晰的认识。这样一来，你在日常工作中进行大型项目的编译管理的时候，或者需要重用别人的类库的时候，思路会更加清晰。

从playscript生成汇编代码

先来看看如何从playscript生成汇编代码。

我会带你把playscript的几个有代表性的功能，而不是全部的功能翻译成汇编代码，一来工作量少一些，二来方便做代码优化。这几个有代表性的功能如下：

1.支持函数调用和传参（这个功能可以回顾加餐）。

2.支持整数的加法运算（在这个过程中要充分利用寄存器提高性能）。

3.支持变量声明和初始化。

具体来说，要能够把下面的示例程序正确生成汇编代码： //asm.play int fun1(int x1, int x2, int x3, int x4, int x5, int x6, int x7, int x8){ int c = 10; return x1 + x2 + x3 + x4 + x5 + x6 + x7 + x8 + c; } println(“fun1:” + fun1(1,2,3,4,5,6,7,8));

在加餐中，我提供了一段手写的汇编代码，功能等价于这段playscript代码，并讲述了如何在多于6个参数的情况下传参，观察栈帧的变化过程，你可以看看下面的图片和代码，回忆一下：

/# function-call2-craft.s 函数调用和参数传递 /# 文本段,纯代码 .section _TEXT,__text,regular,pure_instructions _fun1: /# 函数调用的序曲,设置栈指针 pushq %rbp /# 把调用者的栈帧底部地址保存起来 movq %rsp, %rbp /# 把调用者的栈帧顶部地址,设置为本栈帧的底部 movl $10, -4(%rbp) /# 变量c赋值为10,也可以写成 movl $10, (%rsp) /# 做加法 movl %edi, %eax /# 第一个参数放进%eax addl %esi, %eax /# 加参数2 addl %edx, %eax /# 加参数3 addl %ecx, %eax /# 加参数4 addl %r8d, %eax /# 加参数5 addl %r9d, %eax /# 加参数6 addl 16(%rbp), %eax /# 加参数7 addl 24(%rbp), %eax /# 加参数8 addl -4(%rbp), %eax /# 加上c的值 /# 函数调用的尾声,恢复栈指针为原来的值 popq %rbp /# 恢复调用者栈帧的底部数值 retq /# 返回 .globl _main /# .global伪指令让_main函数外部可见 _main: /#/# @main /# 函数调用的序曲,设置栈指针 pushq %rbp /# 把调用者的栈帧底部地址保存起来 movq %rsp, %rbp /# 把调用者的栈帧顶部地址,设置为本栈帧的底部 subq $16, %rsp /# 这里是为了让栈帧16字节对齐，实际使用可以更少 /# 设置参数 movl $1, %edi /# 参数1 movl $2, %esi /# 参数2 movl $3, %edx /# 参数3 movl $4, %ecx /# 参数4 movl $5, %r8d /# 参数5 movl $6, %r9d /# 参数6 movl $7, (%rsp) /# 参数7 movl $8, 8(%rsp) /# 参数8 callq _fun1 /# 调用函数 /# 为pritf设置参数 leaq L.str(%rip), %rdi /# 第一个参数是字符串的地址 movl %eax, %esi /# 第二个参数是前一个参数的返回值 callq printf /# 调用函数 /# 设置返回值。这句也常用 xorl %esi, %esi 这样的指令,都是置为零 movl $0, %eax addq $16, %rsp /# 缩小栈 /# 函数调用的尾声,恢复栈指针为原来的值 popq %rbp /# 恢复调用者栈帧的底部数值 retq /# 返回 /# 文本段,保存字符串字面量 .section __TEXT,__cstring,cstring_literals L.str: /#/# @.str .asciz “fun1 :%d \n”

接下来，我们动手写程序，从AST翻译成汇编代码（相关代码在playscript-java项目的AsmGen.java类里）。

我们实现加法运算的翻译过程如下： case PlayScriptParser.ADD: //为加法运算申请一个临时的存储位置，可以是寄存器和栈 address = allocForExpression(ctx); bodyAsm.append(“\tmovl\t”).append(left).append(“, “).append(address).append(“\n”); //把左边节点拷贝到存储空间 bodyAsm.append(“\taddl\t”).append(right).append(“, “).append(address).append(“\n”); //把右边节点加上去 break;

这段代码的含义是：我们通过allocForExpression()方法，为每次加法运算申请一个临时空间（可以是寄存器，也可以是栈里的一个地址），用来存放加法操作的结果。接着，用mov指令把加号左边的值拷贝到这个临时空间，再用add指令加上右边的值。

生成汇编代码的过程，基本上就是基于AST拼接字符串，其中bodyAsm变量是一个StringBuffer对象，我们可以用StringBuffer的toString()方法获得最后的汇编代码。

按照上面的逻辑，针对“x1 + x2 + x3 + x4 + x5 + x6 + x7 + x8 + c”这个表达式，形成的汇编代码如下： /# 过程体 movl $10, -4(%rbp) movl %edi, %eax //x1 addl %esi, %eax //+x2 movl %eax, %ebx addl %edx, %ebx //+x3 movl %ebx, %r10d addl %ecx, %r10d //+x4 movl %r10d, %r11d addl %r8d, %r11d //+x5 movl %r11d, %r12d addl %r9d, %r12d //+x6 movl %r12d, %r13d addl 16(%rbp), %r13d //+x7 movl %r13d, %r14d addl 24(%rbp), %r14d //+x8 movl %r14d, %r15d addl -4(%rbp), %r15d //+c，本地变量

看出这个代码有什么问题了吗？我们每次执行加法运算的时候，都要占用一个新的寄存器。比如，x1+x2使用了%eax，再加x3时使用了%ebx，按照这样的速度，寄存器很快就用完了，使用效率显然不高。所以必须要做代码优化。

如果只是简单机械地翻译代码，相当于产生了大量的临时变量，每个临时变量都占用了空间： t1 := x1 + x2; t2 := t1 + x3; t3 := t2 + x4; …

进行代码优化可以让不再使用的存储位置（t1，t2，t3…）能够复用，从而减少临时变量，也减少代码行数，优化后的申请临时存储空间的方法如下：

//复用前序表达式的存储位置 if (ctx.bop != null && ctx.expression().size() >= 2) { ExpressionContext left = ctx.expression(0); String leftAddress = tempVars.get(left); if (leftAddress!= null){ tempVars.put(ctx, leftAddress); //当前节点也跟这个地址关联起来 return leftAddress; } }

这段代码的意思是：对于每次加法运算，都要申请一个寄存器，如果加号左边的节点已经在某个寄存器中，那就直接复用这个寄存器，就不要用新的了。

调整以后，生成的汇编代码就跟手写的一样了。而且，我们至始至终只用了%eax一个寄存器，代码数量也减少了一半，优化效果明显： /# 过程体 movl $10, -4(%rbp) movl %edi, %eax addl %esi, %eax addl %edx, %eax addl %ecx, %eax addl %r8d, %eax addl %r9d, %eax addl 16(%rbp), %eax addl 24(%rbp), %eax addl -4(%rbp), %eax /# 返回值 /# 返回值在之前的计算中,已经存入%eax

对代码如何使用寄存器进行充分优化，是编译器后端一项必须要做的工作。这里只用了很粗糙的方法，不具备实用价值，后面可以学习更好的优化算法。

弄清楚了加法运算的代码翻译逻辑，我们再看看AsmGen.java中的generate()方法和generateProcedure()方法，看看汇编代码完整的生成逻辑是怎样的。这样可以帮助你弄清楚整体脉络和所有的细节，比如函数的标签是怎么生成的，序曲和尾声是怎么加上去的，本地变量的地址是如何计算的，等等。 public String generate() { StringBuffer sb = new StringBuffer(); // 1.代码段的头 sb.append(“\t.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions\n”); // 2.生成函数的代码 for (Type type : at.types) { if (type instanceof Function) { Function function = (Function) type; FunctionDeclarationContext fdc = (FunctionDeclarationContext) function.ctx; visitFunctionDeclaration(fdc); // 遍历，代码生成到bodyAsm中了 generateProcedure(function.name, sb); } } // 3.对主程序生成_main函数 visitProg((ProgContext) at.ast); generateProcedure(“main”, sb); // 4.文本字面量 sb.append(“\n/# 字符串字面量\n”); sb.append(“\t.section __TEXT,__cstring,cstring_literals\n”); for(int i = 0; i< stringLiterals.size(); i++){ sb.append(“L.str.” + i + “:\n”); sb.append(“\t.asciz\t"”).append(stringLiterals.get(i)).append(“"\n”); } // 5.重置全局的一些临时变量 stringLiterals.clear(); return sb.toString(); }

generate()方法是整个翻译程序的入口，它做了几项工作:

1.生成一个.section伪指令，表明这是一个放文本的代码段。

2.遍历AST中的所有函数，调用generateProcedure()方法为每个函数生成一段汇编代码，再接着生成一个主程序的入口。

3.在一个新的section中，声明一些全局的常量（字面量）。整个程序的结构跟最后生成的汇编代码的结构是一致的，所以很容易看懂。

generateProcedure()方法把函数转换成汇编代码，里面的注释也很清晰，开头的工作包括：

1.生成函数标签、序曲部分的代码、设置栈顶指针、保护寄存器原有的值等。

2.接着是函数体，比如本地变量初始化、做加法运算等。

3.最后是一系列收尾工作，包括恢复被保护的寄存器的值、恢复栈顶指针，以及尾声部分的代码。

我们之前已经理解了一个函数体中的汇编代码的结构，所以看这段翻译代码肯定不费事儿。 private void generateProcedure(String name, StringBuffer sb) { // 1.函数标签 sb.append(“\n/#/# 过程:”).append(name).append(“\n”); sb.append(“\t.globl ”).append(name).append(“\n”); sb.append(“”).append(name).append(“:\n”); // 2.序曲 sb.append(“\n\t/# 序曲\n”); sb.append(“\tpushq\t%rbp\n”); sb.append(“\tmovq\t%rsp, %rbp\n”); // 3.设置栈顶 // 16字节对齐 if ((rspOffset % 16) != 0) { rspOffset = (rspOffset / 16 + 1) /* 16; } sb.append(“\n\t/# 设置栈顶\n”); sb.append(“\tsubq\t$”).append(rspOffset).append(“, %rsp\n”); // 4.保存用到的寄存器的值 saveRegisters(); // 5.函数体 sb.append(“\n\t/# 过程体\n”); sb.append(bodyAsm); // 6.恢复受保护的寄存器的值 restoreRegisters(); // 7.恢复栈顶 sb.append(“\n\t/# 恢复栈顶\n”); sb.append(“\taddq\t$”).append(rspOffset).append(“, %rsp\n”); // 8.如果是main函数，设置返回值为0 if (name.equals(“main”)) { sb.append(“\n\t/# 返回值\n”); sb.append(“\txorl\t%eax, %eax\n”); } // 9.尾声 sb.append(“\n\t/# 尾声\n”); sb.append(“\tpopq\t%rbp\n”); sb.append(“\tretq\n”); // 10.重置临时变量 rspOffset = 0; localVars.clear(); tempVars.clear(); bodyAsm = new StringBuffer(); }

最后，你可以通过-S参数运行playscript-java，将asm.play文件生成汇编代码文件asm.s，再生成和运行可执行文件：

java play.PlayScript -S asm.play -o asm.s //生成汇编代码 gcc asm.s -o asm //生成可执行文件 ./asm //运行可执行文件

另外，我们的翻译程序只实现了少量的特性（加法运算、本地变量、函数……）。我建议基于这个代码框架做修改，增加其他特性，比如减法、乘法和除法，支持浮点数，支持if语句和循环语句等。学过加餐之后，你应该清楚如何生成这样的汇编代码了。

到目前为止，我们已经成功地编译playscript程序，并生成了可执行文件！为了加深你对生成可执行文件的理解，我们再做个挑战，用playscript生成目标文件，让C语言来调用。这样可以证明playscript生成汇编代码的逻辑是靠谱的，以至于可以用playscript代替C语言来写一个共用模块。

通过C语言调用playscript模块

我们在编程的时候，经常调用一些公共的库实现一些功能，这些库可能是别的语言写的，但我们仍然可以调用。我们也可以实现playscript与其他语言的功能共享，在示例程序中实现很简单，微调一下生成的汇编代码，使用“.global _fun1”伪指令让_fun1过程变成全局的，这样其他语言写的程序就可以调用这个_fun1过程，实现功能的重用。 /# convention-fun1.s 测试调用约定，_fun1将在外部被调用 /# 文本段,纯代码 .section __TEXT,__text,regular,pure_instructions .globl _fun1 /# .global伪指令让_fun1函数外部可见 _fun1: /# 函数调用的序曲,设置栈指针 pushq %rbp /# 把调用者的栈帧底部地址保存起来 movq %rsp, %rbp /# 把调用者的栈帧顶部地址,设置为本栈帧的底部 movl $10, -4(%rbp) /# 变量c赋值为10,也可以写成 movl $10, (%rsp) /# 做加法 movl %edi, %eax /# 第一个参数放进%eax addl %esi, %eax /# 加参数2 addl %edx, %eax /# 加参数3 addl %ecx, %eax /# 加参数4 addl %r8d, %eax /# 加参数5 addl %r9d, %eax /# 加参数6 addl 16(%rbp), %eax /# 加参数7 addl 24(%rbp), %eax /# 加参数8 addl -4(%rbp), %eax /# 加上c的值 /# 函数调用的尾声,恢复栈指针为原来的值 popq %rbp /# 恢复调用者栈帧的底部数值 retq /# 返回

接下来再写一个C语言的函数来调用fun1()，其中的extern关键字，说明有一个fun1()函数是在另一个模块里实现的：

/// /* convention-main.c 测试调用约定。调用一个外部函数fun1 /*/ /#include //声明一个外部函数，在链接时会在其他模块中找到 extern int fun1(int x1, int x2, int x3, int x4, int x5, int x6, int x7, int x8); int main(int argc, char /*argv[]) { printf("fun1: %d \n", fun1(1,2,3,4,5,6,7,8)); return 0; }

然后在命令行敲下面两个命令：

/# 编译汇编程序 as convention-fun1.s -o convention-fun1.o /# 编译C程序 gcc convention-main.c convention-fun1.o -o convention

  • 第一个命令，把playscript生成的汇编代码编译成一个二进制目标文件。
  • 第二个命令在编译C程序的时候，同时也带上这个二进制文件，那么编译器就会找到fun1()函数的定义，并链接到一起。- 最后生成的可执行文件能够顺利运行。

这里面，我需要解释一下链接过程，它有助于你在二进制文件层面上加深对编译过程的理解。

其实，高级语言和汇编语言都容易阅读。而二进制文件，则是对计算机友好的，便于运行。汇编器可以把每一个汇编文件都编译生成一个二进制的目标文件，或者叫做一个模块。而链接器则把这些模块组装成一个整体。

但在C语言生成的那个模块中，调用fun1()函数时，它没有办法知道fun1()函数的准确地址，因为这个地址必须是整个文件都组装完毕以后才能计算出来。所以，汇编器把这个任务推迟，交给链接器去解决。

这就好比你去饭店排队吃饭，首先要拿个号（函数的标签），但不知道具体坐哪桌。等叫到你的号的时候（链接过程），服务员才会给你安排一个确定的桌子（函数的地址）。

既然我们已经从文本世界进入了二进制的世界，那么我们可以再加深一下对可执行文件结构的理解。

理解可执行文件

我们编译一个程序，最后的结果是生成可运行的二进制文件。其实，生成汇编代码以后，我们就可以认为编译器的任务完成了。后面的工作，其实是由汇编器和链接器完成的。但我们也可以把整个过程都看做编译过程，了解二进制文件的结构，也为我们完整地了解整个编译过程划上了句号。

当然了，对二进制文件格式的理解，也是做大型项目编译管理、二进制代码分析等工作的基础，很有意义。

对于每个操作系统，我们对于可执行程序的格式要求是不一样的。比如，在Linux下，目标文件、共享对象文件、二进制文件，都是采用ELF格式。

实际上，这些二进制文件的格式跟加载到内存中的程序的格式是很相似的。这样有什么好处呢？它可以迅速被操作系统读取，并加载到内存中去，加载速度越快，也就相当于程序的启动速度越快。

同内存中的布局一样，在ELF格式中，代码和数据也是分开的。这样做的好处是，程序的代码部分，可以在多个进程中共享，不需要在内存里放多份。放一份，然后映射到每个进程的代码区就行了。而数据部分，则是每个进程都不一样的，所以要为每个进程加载一份。

这样讲的话，你就理解了可执行文件、目标文件等二进制文件的原理了，具体的细节，可以查阅相关的文档和手册。

课程小结

这节课，我们实现了从AST到汇编代码，汇编代码到可执行文件的完整过程。现在，你应该对后端工作的实质建立起了直接的认识。我建议你抓住几个关键点：

首先，从AST生成汇编代码，可以通过比较机械的翻译来完成，我们举了加法运算的例子。阅读示例程序，你也可以看看函数调用、参数传递等等的实现过程。总体来说，这个过程并不难。

第二，这种机械地翻译生成的代码，一定是不够优化的。我们已经看到了加法运算不够优化的情况，所以一定要增加一个优化的过程。

第三，在生成汇编的过程中，最需要注意的就是要遵守调用约定。这就需要了解调用约定的很多细节。只要遵守调用约定，不同语言生成的二进制目标文件也可以链接在一起，形成最后的可执行文件。

现在我已经带你完成了编译器后端的第一轮认知迭代，并且直接操刀汇编代码，破除你对汇编的恐惧心。在之后的课程中，我们会进入第二轮迭代：中间代码和代码优化。

一课一思

我们针对加法计算、函数调用等语法生成了汇编代码。你能否思考一下，如果要支持其他运算和语法，比如乘法运算、条件判断、循环语句等，大概会怎样实现？如果要支持面向对象编程，又该怎样实现呢？欢迎你打开思路，在留言区分享自己的想法。

最后，感谢你的阅读，如果这篇文章让你有所收获，也欢迎你将它分享给更多的朋友。

示例代码我放在文末，供你参考。

  • AsmGen.java（将AST翻译成汇编代码） 码云 GitHub
  • asm.play（用于生成汇编码的playscript脚本） 码云 GitHub

参考资料

https://learn.lianglianglee.com/%e4%b8%93%e6%a0%8f/%e7%bc%96%e8%af%91%e5%8e%9f%e7%90%86%e4%b9%8b%e7%be%8e/23%20%e7%94%9f%e6%88%90%e6%b1%87%e7%bc%96%e4%bb%a3%e7%a0%81%ef%bc%88%e4%ba%8c%ef%bc%89%ef%bc%9a%e6%8a%8a%e8%84%9a%e6%9c%ac%e7%bc%96%e8%af%91%e6%88%90%e5%8f%af%e6%89%a7%e8%a1%8c%e6%96%87%e4%bb%b6.md