深入理解Go-defer的原理剖析

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这是一个创建于的文章，其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。

defer 也是Go里面比较特别的一个关键字了，主要就是用来保证在程序执行过程中，defer后面的函数都会被执行到，一般用来关闭连接、清理资源等。

1. 结构概览

1.1. defer

type _defer struct {
   siz     int32   // 参数的大小
   started bool    // 是否执行过了
   sp      uintptr // sp at time of defer
   pc      uintptr
   fn      *funcval 
   _panic  *_panic // defer中的panic
   link    *_defer // defer链表，函数执行流程中的defer，会通过 link这个 属性进行串联
}

1.2. panic

type _panic struct {
   argp      unsafe.Pointer // pointer to arguments of deferred call run during panic; cannot move - known to liblink
   arg       interface{}    // argument to panic
   link      *_panic        // link to earlier panic
   recovered bool           // whether this panic is over
   aborted   bool           // the panic was aborted
}

1.3. g

因为 defer panic 都是绑定在运行的g上的，所以这里说明一下g中与 defer panic相关的属性

type g struct {
   _panic         *_panic // panic组成的链表
   _defer         *_defer // defer组成的先进后出的链表，同栈
}

2. 源码分析

2.1. main

最开始，还是通过go tool 来分析一下，底层是通过什么函数来实现的吧

func main() {
    defer func() {
        recover()
    }()
    panic("error")
}

go build -gcflags=all="-N -l" main.go
go tool objdump -s "main.main" main

▶ go tool objdump -s "main\.main" main | grep CALL
  main.go:4             0x4548d0                e81b00fdff              CALL runtime.deferproc(SB)              
  main.go:7             0x4548f2                e8b90cfdff              CALL runtime.gopanic(SB)                
  main.go:4             0x4548fa                e88108fdff              CALL runtime.deferreturn(SB)            
  main.go:3             0x454909                e85282ffff              CALL runtime.morestack_noctxt(SB)       
  main.go:5             0x4549a6                e8d511fdff              CALL runtime.gorecover(SB)              
  main.go:4             0x4549b5                e8a681ffff              CALL runtime.morestack_noctxt(SB)

综合反编译结果可以看出，defer 关键字首先会调用 runtime.deferproc 定义一个延迟调用对象，然后再函数结束前，调用 runtime.deferreturn 来完成 defer 定义的函数的调用

panic 函数就会调用 runtime.gopanic 来实现相关的逻辑

recover 则调用 runtime.gorecover 来实现 recover 的功能

2.2. deferproc

根据 defer 关键字后面定义的函数 fn 以及参数的size，来创建一个延迟执行的函数，并将这个延迟函数，挂在到当前g的 _defer 的链表上

func deferproc(siz int32, fn *funcval) { // arguments of fn follow fn
   sp := getcallersp()
   argp := uintptr(unsafe.Pointer(&fn)) + unsafe.Sizeof(fn)
   callerpc := getcallerpc()
   // 获取一个_defer对象， 并放入g._defer链表的头部
   d := newdefer(siz)
     // 设置defer的fn pc sp等，后面调用
   d.fn = fn
   d.pc = callerpc
   d.sp = sp
   switch siz {
   case 0:
      // Do nothing.
   case sys.PtrSize:
      // _defer 后面的内存 存储 argp的地址信息
      *(*uintptr)(deferArgs(d)) = *(*uintptr)(unsafe.Pointer(argp))
   default:
      // 如果不是指针类型的参数，把参数拷贝到 _defer 的后面的内存空间
      memmove(deferArgs(d), unsafe.Pointer(argp), uintptr(siz))
   }
   return0()
}

这个函数看起来比较简答，通过newproc 获取一个 _defer 的对象，并加入到当前g的 _defer 链表的头部，然后再把参数或参数的指针拷贝到获取到的 _defer对象的后面的内存空间

2.2.1. newdefer

newdefer 的作用是获取一个_defer对象，并推入 g._defer链表的头部

func newdefer(siz int32) *_defer {
   var d *_defer
   // 根据 size 通过deferclass判断应该分配的 sizeclass，就类似于 内存分配预先确定好几个sizeclass，然后根据size确定sizeclass，找对应的缓存的内存块
   sc := deferclass(uintptr(siz))
   gp := getg()
   // 如果sizeclass在既定的sizeclass范围内，去g绑定的p上找
   if sc < uintptr(len(p{}.deferpool)) {
      pp := gp.m.p.ptr()
      if len(pp.deferpool[sc]) == 0 && sched.deferpool[sc] != nil {
         // 当前sizeclass的缓存数量==0，且不为nil，从sched上获取一批缓存
         systemstack(func() {
            lock(&sched.deferlock)
            for len(pp.deferpool[sc]) < cap(pp.deferpool[sc])/2 && sched.deferpool[sc] != nil {
               d := sched.deferpool[sc]
               sched.deferpool[sc] = d.link
               d.link = nil
               pp.deferpool[sc] = append(pp.deferpool[sc], d)
            }
            unlock(&sched.deferlock)
         })
      }
      // 如果从sched获取之后，sizeclass对应的缓存不为空，分配
      if n := len(pp.deferpool[sc]); n > 0 {
         d = pp.deferpool[sc][n-1]
         pp.deferpool[sc][n-1] = nil
         pp.deferpool[sc] = pp.deferpool[sc][:n-1]
      }
   }
   // p和sched都没有找到 或者 没有对应的sizeclass，直接分配
   if d == nil {
      // Allocate new defer+args.
      systemstack(func() {
         total := roundupsize(totaldefersize(uintptr(siz)))
         d = (*_defer)(mallocgc(total, deferType, true))
      })
   }
   d.siz = siz
   // 插入到g._defer的链表头
   d.link = gp._defer
   gp._defer = d
   return d
}

根据size获取sizeclass，对sizeclass进行分类缓存，这是内存分配时的思想

先去p上分配，然后批量从全局 sched上获取到本地缓存，这种二级缓存的思想真的是遍布在go源码的各个部分啊

2.3. deferreturn

func deferreturn(arg0 uintptr) {
   gp := getg()
   // 获取g defer链表的第一个defer，也是最后一个声明的defer
   d := gp._defer
   // 没有defer，就不需要干什么事了
   if d == nil {
      return
   }
   sp := getcallersp()
   // 如果defer的sp与callersp不匹配，说明defer不对应，有可能是调用了其他栈帧的延迟函数
   if d.sp != sp {
      return
   }
   // 根据d.siz，把原先存储的参数信息获取并存储到arg0里面
   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
   // defer用过了就释放了，
   gp._defer = d.link
   freedefer(d)
   // 跳转到执行defer
   jmpdefer(fn, uintptr(unsafe.Pointer(&arg0)))
}

2.3.1.freedefer

释放defer用到的函数，应该跟调度器、内存分配的思想是一样的

func freedefer(d *_defer) {
   // 判断defer的sizeclass
   sc := deferclass(uintptr(d.siz))
   // 超出既定的sizeclass范围的话，就是直接分配的内存，那就不管了
   if sc >= uintptr(len(p{}.deferpool)) {
      return
   }
   pp := getg().m.p.ptr()
   // p本地sizeclass对应的缓冲区满了，批量转移一半到全局sched
   if len(pp.deferpool[sc]) == cap(pp.deferpool[sc]) {
      // 使用g0来转移
      systemstack(func() {
         var first, last *_defer
         for len(pp.deferpool[sc]) > cap(pp.deferpool[sc])/2 {
            n := len(pp.deferpool[sc])
            d := pp.deferpool[sc][n-1]
            pp.deferpool[sc][n-1] = nil
            pp.deferpool[sc] = pp.deferpool[sc][:n-1]
            // 先将需要转移的那批defer对象串成一个链表
            if first == nil {
               first = d
            } else {
               last.link = d
            }
            last = d
         }
         lock(&sched.deferlock)
         // 把这个链表放到sched.deferpool对应sizeclass的链表头
         last.link = sched.deferpool[sc]
         sched.deferpool[sc] = first
         unlock(&sched.deferlock)
      })
   }
   // 清空当前要释放的defer的属性
   d.siz = 0
   d.started = false
   d.sp = 0
   d.pc = 0
   d.link = nil

   pp.deferpool[sc] = append(pp.deferpool[sc], d)
}

二级缓存的思想，在深入理解Go-goroutine的实现及Scheduler分析，深入理解go-channel和select的原理，深入理解Go-垃圾回收机制已经分析过了，就不再过多分析了

2.4. gopanic

func gopanic(e interface{}) {
   gp := getg()

   var p _panic
   p.arg = e
   p.link = gp._panic
   gp._panic = (*_panic)(noescape(unsafe.Pointer(&p)))

   atomic.Xadd(&runningPanicDefers, 1)
   // 依次执行 g._defer链表的defer对象
   for {
      d := gp._defer
      if d == nil {
         break
      }

      // If defer was started by earlier panic or Goexit (and, since we're back here, that triggered a new panic),
      // take defer off list. The earlier panic or Goexit will not continue running.
      // 正常情况下，defer执行完成之后都会被移除，既然这个defer没有移除，原因只有两种： 1. 这个defer里面引发了panic 2. 这个defer里面引发了 runtime.Goexit，但是这个defer已经执行过了，需要移除，如果引发这个defer没有被移除是第一个原因，那么这个panic也需要移除，因为这个panic也执行过了，这里给panic增加标志位，以待后续移除
      if d.started {
         if d._panic != nil {
            d._panic.aborted = true
         }
         d._panic = nil
         d.fn = nil
         gp._defer = d.link
         freedefer(d)
         continue
      }
      d.started = true

      // Record the panic that is running the defer.
      // If there is a new panic during the deferred call, that panic
      // will find d in the list and will mark d._panic (this panic) aborted.
      // 把当前的panic 绑定到这个defer上面，defer里面有可能panic，这种情况下就会进入到 上面d.started 的逻辑里面，然后把当前的panic终止掉，因为已经执行过了 
      d._panic = (*_panic)(noescape(unsafe.Pointer(&p)))
      // 执行defer.fn
      p.argp = unsafe.Pointer(getargp(0))
      reflectcall(nil, unsafe.Pointer(d.fn), deferArgs(d), uint32(d.siz), uint32(d.siz))
      p.argp = nil

      // reflectcall did not panic. Remove d.
      if gp._defer != d {
         throw("bad defer entry in panic")
      }
      // 解决defer与panic的绑定关系，因为 defer函数已经执行完了，如果有panic或Goexit就不会执行到这里了
      d._panic = nil
      d.fn = nil
      gp._defer = d.link

      // trigger shrinkage to test stack copy. See stack_test.go:TestStackPanic
      //GC()

      pc := d.pc
      sp := unsafe.Pointer(d.sp) // must be pointer so it gets adjusted during stack copy
      freedefer(d)
      // panic被recover了，就不需要继续panic了，继续执行剩余的代码
      if p.recovered {
         atomic.Xadd(&runningPanicDefers, -1)

         gp._panic = p.link
         // Aborted panics are marked but remain on the g.panic list.
         // Remove them from the list.
         // 从panic链表中移除aborted的panic，下面解释
         for gp._panic != nil && gp._panic.aborted {
            gp._panic = gp._panic.link
         }
         if gp._panic == nil { // must be done with signal
            gp.sig = 0
         }
         // Pass information about recovering frame to recovery.
         gp.sigcode0 = uintptr(sp)
         gp.sigcode1 = pc
         // 调用recovery， 恢复当前g的调度执行
         mcall(recovery)
         throw("recovery failed") // mcall should not return
      }
   }
     // 打印panic信息
   preprintpanics(gp._panic)
     // panic
   fatalpanic(gp._panic) // should not return
   *(*int)(nil) = 0      // not reached
}

这里解释一下 gp._panic.aborted 的作用，以下面为例

func main() {
   defer func() { // defer1
      recover()
   }()
   panic1()
}

func panic1() {
   defer func() {  // defer2
      panic("error1") // panic2
   }()
   panic("error")  // panic1
}

当执行到 panic("error") 时
g._defer链表： g._defer->defer2->defer1

g._panic链表：g._panic->panic1
当执行到 panic("error1") 时
g._defer链表： g._defer->defer2->defer1

g._panic链表：g._panic->panic2->panic1
继续执行到 defer1 函数内部，进行recover()

此时会去恢复 panic2 引起的 panic， panic2.recovered = true，应该顺着g._panic链表继续处理下一个panic了，但是我们可以发现 panic1 已经执行过了，这也就是下面的代码的逻辑了，去掉已经执行过的panic
```
for gp._panic != nil && gp._panic.aborted {
   gp._panic = gp._panic.link
}
```

panic的逻辑可以梳理一下：

程序在遇到panic的时候，就不再继续执行下去了，先把当前panic 挂载到 g._panic 链表上，开始遍历当前g的g._defer链表，然后执行_defer对象定义的函数等，如果 defer函数在调用过程中又发生了 panic，则又执行到了 gopanic函数，最后，循环打印所有panic的信息，并退出当前g。然而，如果调用defer的过程中，遇到了recover，则继续进行调度（mcall(recovery)）。

2.4.1. recovery

恢复一个被panic的g，重新进入并继续执行调度

func recovery(gp *g) {
   // Info about defer passed in G struct.
   sp := gp.sigcode0
   pc := gp.sigcode1
   // Make the deferproc for this d return again,
   // this time returning 1.  The calling function will
   // jump to the standard return epilogue.
   // 记录defer返回的sp pc
   gp.sched.sp = sp
   gp.sched.pc = pc
   gp.sched.lr = 0
   gp.sched.ret = 1
   // 重新恢复执行调度
   gogo(&gp.sched)
}

2.5. gorecover

gorecovery 仅仅只是设置了 g._panic.recovered 的标志位

func gorecover(argp uintptr) interface{} {
   gp := getg()
   p := gp._panic
   // 需要根据 argp的地址，判断是否在defer函数中被调用
   if p != nil && !p.recovered && argp == uintptr(p.argp) {
      // 设置标志位，上面gopanic中会对这个标志位做判断
      p.recovered = true
      return p.arg
   }
   return nil
}

2.6. goexit

我们还忽略了一个点，当我们手动调用 runtime.Goexit() 退出的时候，defer函数也会执行，我们分析一下这种情况

func Goexit() {
    // Run all deferred functions for the current goroutine.
    // This code is similar to gopanic, see that implementation
    // for detailed comments.
    gp := getg()
  // 遍历defer链表
    for {
        d := gp._defer
        if d == nil {
            break
        }
    // 如果 defer已经执行过了，与defer绑定的panic 终止掉
        if d.started {
            if d._panic != nil {
                d._panic.aborted = true
                d._panic = nil
            }
            d.fn = nil
      // 从defer链表中移除
            gp._defer = d.link
      // 释放defer
            freedefer(d)
            continue
        }
    // 调用defer内部函数
        d.started = true
        reflectcall(nil, unsafe.Pointer(d.fn), deferArgs(d), uint32(d.siz), uint32(d.siz))
        if gp._defer != d {
            throw("bad defer entry in Goexit")
        }
        d._panic = nil
        d.fn = nil
        gp._defer = d.link
        freedefer(d)
        // Note: we ignore recovers here because Goexit isn't a panic
    }
  // 调用goexit0，清除当前g的属性，重新进入调度
    goexit1()
}

2.7. 图示解析

源码这一块阅读起来难度并不是很大，如果还有什么疑惑，希望下面的一副动图能解开你的疑惑

作图作的略拙劣，见谅

步骤解析：

L3: 生成一个defer1，放到g._defer链表上
L11: 生成一个defer2，挂载到g._defer链表上
L14: panic1 调用 gopanic，将当前panic放到g._panic链表上
L14: 因为panic1，从g._defer 链表头部提取到defer2，开始执行
L12: 执行defer2，又一个panic，挂载到g._panic链表上
L12: 因为panic2，从g._defer链表头部提取到defer2，发现defer2已经执行过了移出链表，，且defer2是因为panic1而触发的，跳过defer2，并abort panic1
L12: 继续提取g._defer链表的下一个，提取到defer1
L5: defer1 执行recover，recover掉panic2，移除链表，判断下一个panic，即panic1，panic1已经被defer2 aborted掉了，移除panic1
defer1 执行完了，移除defer1

3. 关联文档

二级缓存，sizeclass: 深入理解Go-垃圾回收机制
gogo goexit0 调度: 深入理解Go-goroutine的实现及Scheduler分析

4. 参考文档

《Go语言学习笔记》--雨痕

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感谢作者：tyloafer

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深入理解Go-defer的原理剖析

1. 结构概览

1.1. defer

1.2. panic

1.3. g

2. 源码分析

2.1. main

2.2. deferproc

2.2.1. newdefer

2.3. deferreturn

2.3.1.freedefer

2.4. gopanic

2.4.1. recovery

2.5. gorecover

2.6. goexit

2.7. 图示解析

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2.3. deferreturn

2.3.1.freedefer

2.4. gopanic

2.4.1. recovery

2.5. gorecover

2.6. goexit

2.7. 图示解析

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1.1. defer

1.2. panic

1.3. g

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2.1. main

2.2. deferproc

2.2.1. newdefer

2.3. deferreturn

2.3.1.freedefer

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