深入理解 Go defer

在上一章节 《深入理解 Go panic and recover》 中，我们发现了 defer 与其关联性极大，还是觉得非常有必要深入一下。希望通过本章节大家可以对 defer 关键字有一个深刻的理解，那么我们开始吧。你先等等，请排好队，我们这儿采取后进先出 LIFO 的出站方式...

原文地址：深入理解 Go defer

特性

我们简单的过一下 defer 关键字的基础使用，让大家先有一个基础的认知

一、延迟调用

func main() {
    defer log.Println("EDDYCJY.")

    log.Println("end.")
}

输出结果：

$ go run main.go
2019/05/19 21:15:02 end.
2019/05/19 21:15:02 EDDYCJY.

二、后进先出

func main() {
    for i := 0; i < 6; i++ {
        defer log.Println("EDDYCJY" + strconv.Itoa(i) + ".")
    }


    log.Println("end.")
}

输出结果：

$ go run main.go
2019/05/19 21:19:17 end.
2019/05/19 21:19:17 EDDYCJY5.
2019/05/19 21:19:17 EDDYCJY4.
2019/05/19 21:19:17 EDDYCJY3.
2019/05/19 21:19:17 EDDYCJY2.
2019/05/19 21:19:17 EDDYCJY1.
2019/05/19 21:19:17 EDDYCJY0.

三、运行时间点

func main() {
    func() {
         defer log.Println("defer.EDDYCJY.")
    }()

    log.Println("main.EDDYCJY.")
}

输出结果：

$ go run main.go
2019/05/22 23:30:27 defer.EDDYCJY.
2019/05/22 23:30:27 main.EDDYCJY.

四、异常处理

func main() {
    defer func() {
        if e := recover(); e != nil {
            log.Println("EDDYCJY.")
        }
    }()

    panic("end.")
}

输出结果：

$ go run main.go
2019/05/20 22:22:57 EDDYCJY.

源码剖析

$ go tool compile -S main.go
"".main STEXT size=163 args=0x0 locals=0x40
    ...
    0x0059 00089 (main.go:6)    MOVQ    AX, 16(SP)
    0x005e 00094 (main.go:6)    MOVQ    $1, 24(SP)
    0x0067 00103 (main.go:6)    MOVQ    $1, 32(SP)
    0x0070 00112 (main.go:6)    CALL    runtime.deferproc(SB)
    0x0075 00117 (main.go:6)    TESTL    AX, AX
    0x0077 00119 (main.go:6)    JNE    137
    0x0079 00121 (main.go:7)    XCHGL    AX, AX
    0x007a 00122 (main.go:7)    CALL    runtime.deferreturn(SB)
    0x007f 00127 (main.go:7)    MOVQ    56(SP), BP
    0x0084 00132 (main.go:7)    ADDQ    $64, SP
    0x0088 00136 (main.go:7)    RET
    0x0089 00137 (main.go:6)    XCHGL    AX, AX
    0x008a 00138 (main.go:6)    CALL    runtime.deferreturn(SB)
    0x008f 00143 (main.go:6)    MOVQ    56(SP), BP
    0x0094 00148 (main.go:6)    ADDQ    $64, SP
    0x0098 00152 (main.go:6)    RET
    ...

首先我们需要找到它，找到它实际对应什么执行代码。通过汇编代码，可得知涉及如下方法：

• runtime.deferproc
• runtime.deferreturn

很显然是运行时的方法，是对的人。我们继续往下走看看都分别承担了什么行为

数据结构

在开始前我们需要先介绍一下 defer 的基础单元 _defer 结构体，如下：

type _defer struct {
    siz     int32
    started bool
    sp      uintptr // sp at time of defer
    pc      uintptr
    fn      *funcval
    _panic  *_panic // panic that is running defer
    link    *_defer
}

...
type funcval struct {
    fn uintptr
    // variable-size, fn-specific data here
}

• siz：所有传入参数的总大小
• started：该 defer 是否已经执行过
• sp：函数栈指针寄存器，一般指向当前函数栈的栈顶
• pc：程序计数器，有时称为指令指针(IP)，线程利用它来跟踪下一个要执行的指令。在大多数处理器中，PC指向的是下一条指令，而不是当前指令
• fn：指向传入的函数地址和参数
• _panic：指向 _panic 链表
• link：指向 _defer 链表

deferproc

func deferproc(siz int32, fn *funcval) {
    ...
    sp := getcallersp()
    argp := uintptr(unsafe.Pointer(&fn)) + unsafe.Sizeof(fn)
    callerpc := getcallerpc()

    d := newdefer(siz)
    ...
    d.fn = fn
    d.pc = callerpc
    d.sp = sp
    switch siz {
    case 0:
        // Do nothing.
    case sys.PtrSize:
        *(*uintptr)(deferArgs(d)) = *(*uintptr)(unsafe.Pointer(argp))
    default:
        memmove(deferArgs(d), unsafe.Pointer(argp), uintptr(siz))
    }

    return0()
}

• 获取调用 defer 函数的函数栈指针、传入函数的参数具体地址以及PC （程序计数器），也就是下一个要执行的指令。这些相当于是预备参数，便于后续的流转控制
• 创建一个新的 defer 最小单元 _defer，填入先前准备的参数
• 调用 memmove 将传入的参数存储到新 _defer （当前使用）中去，便于后续的使用
• 最后调用 return0 进行返回，这个函数非常重要。能够避免在 deferproc 中又因为返回 return，而诱发 deferreturn 方法的调用。其根本原因是一个停止 panic 的延迟方法会使 deferproc 返回 1，但在机制中如果 deferproc 返回不等于 0，将会总是检查返回值并跳转到函数的末尾。而 return0 返回的就是 0，因此可以防止重复调用

小结

在这个函数中会为新的 _defer 设置一些基础属性，并将调用函数的参数集传入。最后通过特殊的返回方法结束函数调用。另外这一块与先前 《深入理解 Go panic and recover》 的处理逻辑有一定关联性，其实就是 gp.sched.ret 返回 0 还是 1 会分流至不同处理方式

newdefer

func newdefer(siz int32) *_defer {
    var d *_defer
    sc := deferclass(uintptr(siz))
    gp := getg()
    if sc < uintptr(len(p{}.deferpool)) {
        pp := gp.m.p.ptr()
        if len(pp.deferpool[sc]) == 0 && sched.deferpool[sc] != nil {
            ...
            lock(&sched.deferlock)
            d := sched.deferpool[sc]
            unlock(&sched.deferlock)
        }
        ...
    }
    if d == nil {
        systemstack(func() {
            total := roundupsize(totaldefersize(uintptr(siz)))
            d = (*_defer)(mallocgc(total, deferType, true))
        })
        ...
    }
    d.siz = siz
    d.link = gp._defer
    gp._defer = d
    return d
}

• 从池中获取可以使用的 _defer，则复用作为新的基础单元
• 若在池中没有获取到可用的，则调用 mallocgc 重新申请一个新的
• 设置 defer 的基础属性，最后修改当前 Goroutine 的 _defer 指向

通过这个方法我们可以注意到两点，如下：

• defer 与 Goroutine(g) 有直接关系，所以讨论 defer 时基本离不开 g 的关联
• 新的 defer 总是会在现有的链表中的最前面，也就是 defer 的特性后进先出

小结

这个函数主要承担了获取新的 _defer 的作用，它有可能是从 deferpool 中获取的，也有可能是重新申请的

deferreturn

func deferreturn(arg0 uintptr) {
    gp := getg()
    d := gp._defer
    if d == nil {
        return
    }
    sp := getcallersp()
    if d.sp != sp {
        return
    }

    switch d.siz {
    case 0:
        // Do nothing.
    case sys.PtrSize:
        *(*uintptr)(unsafe.Pointer(&arg0)) = *(*uintptr)(deferArgs(d))
    default:
        memmove(unsafe.Pointer(&arg0), deferArgs(d), uintptr(d.siz))
    }
    fn := d.fn
    d.fn = nil
    gp._defer = d.link
    freedefer(d)
    jmpdefer(fn, uintptr(unsafe.Pointer(&arg0)))
}

如果在一个方法中调用过 defer 关键字，那么编译器将会在结尾处插入 deferreturn 方法的调用。而该方法中主要做了如下事项：

• 清空当前节点 _defer 被调用的函数调用信息
• 释放当前节点的 _defer 的存储信息并放回池中（便于复用）
• 跳转到调用 defer 关键字的调用函数处

在这段代码中，跳转方法 jmpdefer 格外重要。因为它显式的控制了流转，代码如下：

// asm_amd64.s
TEXT runtime·jmpdefer(SB), NOSPLIT, $0-16
    MOVQ    fv+0(FP), DX    // fn
    MOVQ    argp+8(FP), BX    // caller sp
    LEAQ    -8(BX), SP    // caller sp after CALL
    MOVQ    -8(SP), BP    // restore BP as if deferreturn returned (harmless if framepointers not in use)
    SUBQ    $5, (SP)    // return to CALL again
    MOVQ    0(DX), BX
    JMP    BX    // but first run the deferred function

通过源码的分析，我们发现它做了两个很 “奇怪” 又很重要的事，如下：

• MOVQ -8(SP), BP：-8(BX) 这个位置保存的是 deferreturn 执行完毕后的地址
• SUBQ $5, (SP)：SP 的地址减 5 ，其减掉的长度就恰好是 runtime.deferreturn 的长度

你可能会问，为什么是 5？好吧。翻了半天最后看了一下汇编代码...嗯，相减的确是 5 没毛病，如下：

    0x007a 00122 (main.go:7)    CALL    runtime.deferreturn(SB)
    0x007f 00127 (main.go:7)    MOVQ    56(SP), BP

我们整理一下思绪，照上述逻辑的话，那 deferreturn 就是一个 “递归” 了哦。每次都会重新回到 deferreturn 函数，那它在什么时候才会结束呢，如下：

func deferreturn(arg0 uintptr) {
    gp := getg()
    d := gp._defer
    if d == nil {
        return
    }
    ...
}

也就是会不断地进入 deferreturn 函数，判断链表中是否还存着 _defer。若已经不存在了，则返回，结束掉它。简单来讲，就是处理完全部 defer 才允许你真的离开它。果真如此吗？我们再看看上面的汇编代码，如下：

    。..
    0x0070 00112 (main.go:6)    CALL    runtime.deferproc(SB)
    0x0075 00117 (main.go:6)    TESTL    AX, AX
    0x0077 00119 (main.go:6)    JNE    137
    0x0079 00121 (main.go:7)    XCHGL    AX, AX
    0x007a 00122 (main.go:7)    CALL    runtime.deferreturn(SB)
    0x007f 00127 (main.go:7)    MOVQ    56(SP), BP
    0x0084 00132 (main.go:7)    ADDQ    $64, SP
    0x0088 00136 (main.go:7)    RET
    0x0089 00137 (main.go:6)    XCHGL    AX, AX
    0x008a 00138 (main.go:6)    CALL    runtime.deferreturn(SB)
    ...

的确如上述流程所分析一致，验证完毕

小结

这个函数主要承担了清空已使用的 defer 和跳转到调用 defer 关键字的函数处，非常重要

总结

我们有提到 defer 关键字涉及两个核心的函数，分别是 deferproc 和 deferreturn 函数。而 deferreturn 函数比较特殊，是当应用函数调用 defer 关键字时，编译器会在其结尾处插入 deferreturn 的调用，它们俩一般都是成对出现的

但是当一个 Goroutine 上存在着多次 defer 行为（也就是多个 _defer）时，编译器会进行利用一些小技巧， 重新回到 deferreturn 函数去消耗 _defer 链表，直到一个不剩才允许真正的结束

而新增的基础单元 _defer，有可能是被复用的，也有可能是全新申请的。它最后都会被追加到 _defer 链表的表头，从而设定了后进先出的调用特性

关联

• 深入理解 Go panic and recover

参考

• Scheduling In Go
• Dive into stack and defer/panic/recover in go
• golang-notes