--- id: 04e03e046bb46ab34aaeeed79279923b author: Lee Yunjin title: Generowanie kodu assemblera AMD64 dla instrukcji warunkowej (if) w języku Go oraz analiza instrukcji skoku description: Porównujemy proces, w którym kompilator Go tłumaczy instrukcję warunkową if-else na instrukcje warunkowego skoku maszynowego AMD64, takie jak CMPQ, JGE i JMP, z wynikiem generowania kodu rozgałęzień przez kompilator C (-O2). language: pl date: 2026-05-17T12:00:00Z path: /blog/posts/go-if-statement-analysis-3012d30c category: lowlevel --- ## Instrukcja If w języku Go Najpierw powód wyboru Go: spośród nowoczesnych języków Go ma najbardziej „piękny” kod assembly, a efektywność jego składni bywa wręcz przytłaczająca nawet w porównaniu z językami klasycznymi. Skoro na poprzednim wykładzie zrozumieliśmy, jak działa prosty program w Go, porównajmy teraz Go i Assembly linia po linii. ### Kod źródłowy Przede wszystkim, nie tylko w Go, ale także w nowoczesnych kompilatorach, w tym GCC, gałęzie, które nie mają znaczenia dla wyniku, są automatycznie optymalizowane. Kompilatory języka C, takie jak GCC i Clang, stosują bardzo agresywne optymalizacje już na poziomie -O2, będącym standardem branżowym, więc era, w której programista nie mógł w pełni ufać kompilatorowi, ostatecznie dobiegła końca już w drugiej połowie XX wieku. Dlatego, z punktu widzenia kompilatora, warunki, które trudno przewidzieć i zastąpić inną konstrukcją, muszą być sformułowane tak, aby miały sens. ```go package main import ( "os" "strconv" ) func main() { // Jeśli zastąpimy to czymś przewidywalnym, co można usunąć z gałęzi, np. x = 10, // kompilator zoptymalizuje kod i usunie gałąź. // Dlatego, aby zobaczyć to bezpośrednio w assembly, w C używa się np. -O0, // albo pozwala kompilatorowi użyć nieprzewidywalnej zewnętrznej wartości, // ale ponieważ ten rozdział dotyczy nowoczesnego programowania, nie stosujemy // metody wyłączania optymalizacji binarnej w Go. if len(os.Args) < 2 { return } x, _ := strconv.Atoi(os.Args[1]) if x < 10 { println("X is smaller than 10") } else { println("X is larger or same as 10") } } ``` W tym przypadku, ponieważ kompilator nie może przewidzieć danych wejściowych, instrukcja rozgałęzienia zostaje przetłumaczona na kod maszynowy bez zmian. ### Język asemblera ```asm TEXT main.main(SB) /home/yjlee/introduction-to-golang/learn-golang/if-and-switch/golang-if/main.go main.go:8 0x47a840 493b6610 CMPQ SP, 0x10(R14) main.go:8 0x47a844 7670 JBE 0x47a8b6 main.go:8 0x47a846 55 PUSHQ BP main.go:8 0x47a847 4889e5 MOVQ SP, BP main.go:8 0x47a84a 4883ec10 SUBQ $0x10, SP main.go:15 0x47a84e 48833d12fb0a0002 CMPQ os.Args+8(SB), $0x2 main.go:15 0x47a856 7c58 JL 0x47a8b0 main.go:15 0x47a858 488b0d01fb0a00 MOVQ os.Args(SB), CX main.go:18 0x47a85f 488b4110 MOVQ 0x10(CX), AX main.go:18 0x47a863 488b5918 MOVQ 0x18(CX), BX main.go:18 0x47a867 e834e8ffff CALL strconv.Atoi(SB) main.go:20 0x47a86c 4883f80a CMPQ AX, $0xa main.go:20 0x47a870 7d1d JGE 0x47a88f main.go:21 0x47a872 e809befbff CALL runtime.printlock(SB) main.go:21 0x47a877 488d0519f50100 LEAQ 0x1f519(IP), AX main.go:21 0x47a87e bb15000000 MOVL $0x15, BX main.go:21 0x47a883 e878c6fbff CALL runtime.printstring(SB) main.go:21 0x47a888 e853befbff CALL runtime.printunlock(SB) main.go:21 0x47a88d eb1b JMP 0x47a8aa main.go:23 0x47a88f e8ecbdfbff CALL runtime.printlock(SB) main.go:23 0x47a894 488d05c8040200 LEAQ 0x204c8(IP), AX main.go:23 0x47a89b bb1a000000 MOVL $0x1a, BX main.go:23 0x47a8a0 e85bc6fbff CALL runtime.printstring(SB) main.go:23 0x47a8a5 e836befbff CALL runtime.printunlock(SB) main.go:25 0x47a8aa 4883c410 ADDQ $0x10, SP main.go:25 0x47a8ae 5d POPQ BP main.go:25 0x47a8af c3 RET main.go:16 0x47a8b0 4883c410 ADDQ $0x10, SP main.go:16 0x47a8b4 5d POPQ BP main.go:16 0x47a8b5 c3 RET main.go:8 0x47a8b6 e845f0feff CALL runtime.morestack_noctxt.abi0(SB) main.go:8 0x47a8bb eb83 JMP main.main(SB) ``` Narzędzie go tool wskazuje bardzo przystępnie, która konstrukcja języka odpowiada któremu fragmentowi assembly. Ponieważ w tym wykładzie uczymy się porównań i instrukcji warunkowych if, wystarczy zwrócić uwagę na kilka linii. ### Instrukcje CMPQ i JL Instrukcja `CMPQ` służy do porównywania typów danych o rozmiarze 4 bajtów (4 słowa), a jej nazwa pochodzi od **C**o**MP**are**Q**uadword, skróconego do **CMPQ**. Pod adresem pamięci `0x47a84e` znajduje się instrukcja `CMPQ os.Args+8(SB), $0x2`. W tym przypadku program porównuje liczbę przekazanych argumentów z szesnastkową wartością `0x2` (czyli po prostu 2). Następnie, jeśli argumentów jest mniej niż 2 (czyli program sam jest jedynym argumentem), za pomocą `JL` wykonywany jest skok po porównaniu. Oznacza to **J**ump, **L**ess than', skrócone do **JL**. Jeśli w poprzednim porównaniu argumentów było mniej niż 2, skok prowadzi pod adres `0x47a8b0`, gdzie znajduje się `JGE`. Jednak ta instrukcja operuje na rejestrze `AX`, więc trzeba poznać, co dokładnie jest przechowywane w tym rejestrze. ### Instrukcja MOVQ Następnie trzeba zrozumieć, jak rejestr `CX` jest wykorzystywany do przechowywania adresu początkowego danych oraz jak po odczytaniu adresu wydobywane są rzeczywiste dane. Zakres `0x47858`-`0x47863` pokazuje krok po kroku wykonanie tej operacji. Najpierw adres początkowy tablicy argumentów jest wstawiany do rejestru CX za pomocą instrukcji `MOVQ os.Args(SB), CX`. Wtedy trzeba zrozumieć typ string w Go. String w Go jest strukturą złożoną z dwóch 8-bajtowych wartości, czyli z 16 bajtów. | struktura | 8 bajtów | 8 bajtów | | --------- | ----------- | ------------- | | string | adres pamięci | długość stringa | Wizualnie wygląda to jak powyżej: pierwsze 8 bajtów zawiera adres początkowy stringa, a kolejne 8 bajtów zawiera jego długość. Dlatego adres stringa zapisywany jest w rejestrze AX, a jego długość w rejestrze BX. ### CALL We wcześniejszym poście, gdy oglądaliśmy funkcje `runtime`, także pojawiała się instrukcja CALL. Występuje ona przed funkcjami używanymi w Go i oznacza, że funkcja jest **wywoływana**, dosłownie CALL. Następnie, za pomocą wywołania funkcji, string jest konwertowany na liczbę całkowitą, przy czym _to, gdzie zapisywana jest ta liczba, nie jest widoczne, ponieważ zostało ukryte w funkcji._ ### Instrukcje CMPQ i JGE Wracając do wcześniejszego adresu `0x47a86c`, instrukcja **porównuje adres stringa z liczbą `0xa` (dziesiętnie 10)!** Oznacza to, że ponieważ program nie używa już tego argumentu, **nadpisano nim miejsce stringa, tworząc w ten sposób przestrzeń dla zmiennej całkowitej `x`.** To właśnie jest istota agresywnych optymalizacji, jakie stosuje się m.in. w języku Go. Następnie pojawia się instrukcja JGE, będąca skrótem od **J**ump, **G**reater or **E**quals. Ta instrukcja sprawdza więc, czy wartość jest większa lub równa wartości porównywanej. Zatem zamiast dokładnie `x < 10` mamy **odwrócony kierunek porównania!** W kodzie maszynowym opłaca się bowiem z góry pominąć blok, gdy warunek nie jest spełniony, zamiast wykonywać porównanie w przypadku spełnienia warunku, a następnie ponownie sprawdzać, czy warunek nie jest spełniony. Rozwiązanie to jest bardziej bezpośrednie i **pozwala zaoszczędzić jedną instrukcję**. Ta optymalizacja jest bardzo klasyczna, dlatego w przeciwieństwie do przykładu `strconv.Atoi` omówionego wyżej często pojawia się nawet w kompilatorach o znacznie niższym poziomie optymalizacji, więc warto ją znać. Dzięki zastosowaniu tej zasady można uzyskać źródła różniące się od siebie, a mimo to dające na poziomie assembly w 100% identyczny wynik. ### Przykład kodu lustrzanego Korzystając z poniższego skryptu, skrypt bash tworzy dwa w 100% lustrzane źródła, a następnie weryfikuje, że po pominięciu metadanych, które się zmieniają, sama funkcja `main` daje dokładnie identyczny assembly. ```bash #!/usr/bin/env bash # 1. Całkowite czyszczenie pozostałych plików i katalogów z poprzednich uruchomień echo "[1/6] Cleaning up old artifacts..." rm -rf test_dir main_orig main_asm orig.asm asm.asm orig_pure.asm asm_pure.asm mkdir -p test_dir # 2. Zapis oryginalnego kodu źródłowego (main.go) echo "[2/6] Generating main.go..." cat << 'EOF' > main.go package main import ( "os" "strconv" ) func main() { if len(os.Args) < 2 { return } x, _ := strconv.Atoi(os.Args[1]) s1 := "X is smaller than 10" s2 := "X is larger or same as 10" if x < 10 { println(s1) } else { println(s2) } } EOF # 3. Zapis kodu lustrzanego (main_from_asm.go) # Struktura operatorów jest symetrycznie dopasowana, aby kompilator użył tego samego szablonu optymalizacji (JGE) echo "[3/6] Generating main_from_asm.go..." cat << 'EOF' > main_from_asm.go package main import ( "os" "strconv" ) func main() { if len(os.Args) < 2 { return } x, _ := strconv.Atoi(os.Args[1]) s1 := "X is smaller than 10" s2 := "X is larger or same as 10" // Jeśli zachowamy strukturę x < 10, używając 10 jako punktu odniesienia, kompilator // przyjmie dokładnie ten sam mechanizm JGE i ten sam układ bloków co w main.go. switch { case x < 10: println(s1) default: println(s2) } } EOF # 4. Kompilacja obu źródeł w tym samym katalogu i pod tą samą nazwą pliku echo "[4/6] Compiling both sources inside 'test_dir'..." cp main.go test_dir/main.go cd test_dir && go build -o ../main_orig main.go && cd .. rm test_dir/main.go cp main_from_asm.go test_dir/main.go cd test_dir && go build -o ../main_asm main.go && cd .. # 5. Wyodrębnienie czystego assembly funkcji main.main za pomocą go tool objdump echo "[5/6] Extracting main.main assembly sections..." go tool objdump -s "main\.main" main_orig > orig.asm go tool objdump -s "main\.main" main_asm > asm.asm # Usunięcie adresów wirtualnych, przesunięć i tekstu bajtów maszynowych, # filtrowanie wyłącznie pól właściwych instrukcjom procesora (Opcode i Operands) awk '{print $4, $5, $6, $7}' orig.asm > orig_pure.asm awk '{print $4, $5, $6, $7}' asm.asm > asm_pure.asm # 6. Weryfikacja integralności struktury instrukcji za pomocą diff echo "[6/6] Verifying assembly structural integrity via diff..." echo "------------------------------------------------------------" if diff orig_pure.asm asm_pure.asm > /dev/null; then echo "===> [성공] 두 바이너리의 main.main 기계어 로직이 100% 일치합니다! <===" echo "컴파일러의 최적화 파이프라인 가이드라인을 완벽하게 동기화하여 동일한 어셈블리를 얻었습니다." else echo "===> [실패] 어셈블리 명령어 구조에 차이점이 발견되었습니다. <===" diff -u orig_pure.asm asm_pure.asm fi echo "------------------------------------------------------------" ``` Po uruchomieniu skryptu otrzymujemy następujące informacje. ```text [1/6] Cleaning up old artifacts... [2/6] Generating main.go... [3/6] Generating main_from_asm.go... [4/6] Compiling both sources inside 'test_dir'... [5/6] Extracting main.main assembly sections... [6/6] Verifying assembly structural integrity via diff... ------------------------------------------------------------ ===> [성공] 두 바이너리의 main.main 기계어 로직이 100% 일치합니다! <=== 컴파일러의 최적화 파이프라인 가이드라인을 완벽하게 동기화하여 동일한 어셈블리를 얻었습니다. ------------------------------------------------------------ ``` ### Wnioski Języki programowania oferują wiele abstrakcji, ale za nimi kryją się bardzo ciekawe i agresywne optymalizacje. Co więcej, wykorzystując tę zależność w odwrotny sposób, można stworzyć lustrzane kody, które mają różne źródła, ale identyczny assembly. Jeśli interesujesz się niskim poziomem i natrafisz na oprogramowanie własnościowe napisane w Go, dekompilacja assembly i odtworzenie źródła nie wydaje się czymś niemożliwym. ## Następny wykład Na następnym wykładzie omówimy instrukcję warunkową If oraz równie ciekawą instrukcję `select-case`.