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golang中defer的执行过程是怎样的?

在同一个goroutine中:

多个defer的调用栈原理是什么? defer函数是如何调用的?

为了探究其中的奥秘我准备了如下代码:

package main
import "fmt"

func main() {
	xx()
}
func xx() {
	defer aaa(100, "hello aaa")
	defer bbb("hello bbb")
	return
}

func aaa(x int, arg string) {
	fmt.Println(x, arg)
}

func bbb(arg string) {
	fmt.Println(arg)
}

复制代码

输出: bbb 100 hello aaa 从输出结果看很像栈的数据结构特性:后进先出(LIFO)。

首先从汇编入手去查看xx()函数的执行过程,命令如下:

go tool compile -S main.go >> main.s

"".xx STEXT size=198 args=0x0 locals=0x30
	0x0000 00000 (main.go:9)	TEXT	"".xx(SB), ABIInternal, $48-0
	0x0000 00000 (main.go:9)	MOVQ	(TLS), CX
	0x0009 00009 (main.go:9)	CMPQ	SP, 16(CX)
	0x000d 00013 (main.go:9)	JLS	188
	0x0013 00019 (main.go:9)	SUBQ	$48, SP
	0x0017 00023 (main.go:9)	MOVQ	BP, 40(SP)
	0x001c 00028 (main.go:9)	LEAQ	40(SP), BP
	0x0021 00033 (main.go:9)	FUNCDATA	$0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
	0x0021 00033 (main.go:9)	FUNCDATA	$1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
	0x0021 00033 (main.go:9)	FUNCDATA	$3, gclocals·9fb7f0986f647f17cb53dda1484e0f7a(SB)
	0x0021 00033 (main.go:10)	PCDATA	$2, $0
	0x0021 00033 (main.go:10)	PCDATA	$0, $0
	0x0021 00033 (main.go:10)	MOVL	$24, (SP)
	0x0028 00040 (main.go:10)	PCDATA	$2, $1
	0x0028 00040 (main.go:10)	LEAQ	"".aaa·f(SB), AX
	0x002f 00047 (main.go:10)	PCDATA	$2, $0
	0x002f 00047 (main.go:10)	MOVQ	AX, 8(SP)
	0x0034 00052 (main.go:10)	MOVQ	$100, 16(SP)
	0x003d 00061 (main.go:10)	PCDATA	$2, $1
	0x003d 00061 (main.go:10)	LEAQ	go.string."hello aaa"(SB), AX
	0x0044 00068 (main.go:10)	PCDATA	$2, $0
	0x0044 00068 (main.go:10)	MOVQ	AX, 24(SP)
	0x0049 00073 (main.go:10)	MOVQ	$9, 32(SP)
	0x0052 00082 (main.go:10)	CALL	runtime.deferproc(SB)
	0x0057 00087 (main.go:10)	TESTL	AX, AX
	0x0059 00089 (main.go:10)	JNE	172
	0x005b 00091 (main.go:11)	MOVL	$16, (SP)
	0x0062 00098 (main.go:11)	PCDATA	$2, $1
	0x0062 00098 (main.go:11)	LEAQ	"".bbb·f(SB), AX
	0x0069 00105 (main.go:11)	PCDATA	$2, $0
	0x0069 00105 (main.go:11)	MOVQ	AX, 8(SP)
	0x006e 00110 (main.go:11)	PCDATA	$2, $1
	0x006e 00110 (main.go:11)	LEAQ	go.string."hello bbb"(SB), AX
	0x0075 00117 (main.go:11)	PCDATA	$2, $0
	0x0075 00117 (main.go:11)	MOVQ	AX, 16(SP)
	0x007a 00122 (main.go:11)	MOVQ	$9, 24(SP)
	0x0083 00131 (main.go:11)	CALL	runtime.deferproc(SB)
	0x0088 00136 (main.go:11)	TESTL	AX, AX
	0x008a 00138 (main.go:11)	JNE	156
	0x008c 00140 (main.go:12)	XCHGL	AX, AX
	0x008d 00141 (main.go:12)	CALL	runtime.deferreturn(SB)
复制代码

发现aaa()函数的参数及调用函数deferproc(SB):


 0x0021 00033 (main.go:10)   MOVL    $24, (SP)
 0x0028 00040 (main.go:10)   PCDATA  $2, $1 
 0x0028 00040 (main.go:10)   LEAQ    "".aaa·f(SB), AX
 0x002f 00047 (main.go:10)   PCDATA  $2, $0 
 0x002f 00047 (main.go:10)   MOVQ    AX, 8(SP)
 0x0034 00052 (main.go:10)   MOVQ    $100, 16(SP)
 0x003d 00061 (main.go:10)   PCDATA  $2, $1 
 0x003d 00061 (main.go:10)   LEAQ    go.string."hello aaa"(SB), AX
 0x0044 00068 (main.go:10)   PCDATA  $2, $0 
 0x0044 00068 (main.go:10)   MOVQ    AX, 24(SP)
 0x0049 00073 (main.go:10)   MOVQ    $9, 32(SP)
 0x0052 00082 (main.go:10)   CALL    runtime.deferproc(SB)
复制代码

下面重点代码的统一说明:

//1, (SP) 将24放入栈顶(24其实是下面所说的deferd函数参数类型的长度和)。
 0x0021 00033 (main.go:10)   MOVL    $24, (SP)

//2, 8(SP) 将aaa函数指针放入AX;将aaa函数指针放入到8(SP)中。
 0x0028 00040 (main.go:10)   LEAQ    "".aaa·f(SB), AX
 0x002f 00047 (main.go:10)   MOVQ    AX, 8(SP)

//3, 16(SP)把函数aaa第一个参数100放入到16(SP)中。
 0x0034 00052 (main.go:10)   MOVQ    $100, 16(SP)

//4, 24(SP)获取第二个参数的内存地址并赋值给AX;AX中值赋值给24(SP)。
 0x003d 00061 (main.go:10)   LEAQ    go.string."hello aaa"(SB), AX
 0x0044 00068 (main.go:10)   MOVQ    AX, 24(SP)

//5,32(SP),将第二个参数字符串长度9赋值到32(SP)中。
 0x0049 00073 (main.go:10)   MOVQ    $9, 32(SP)

//调用runtime.deferproc(SB)
 0x0052 00082 (main.go:10)   CALL    runtime.deferproc(SB)
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0(SP) = 24 //aaa(int, string)参数类型长度和

8(SP) = &aaa(int, string)//deferd函数指针

16(SP) = 100// 第一个参数值100

24(SP) = "hello aaa"//第二个参数

32(SP) = 9//第二个参数字符串长度

从以上2部分汇编代码可以看出,函数相关数据放到了SP中且连续。2,发现 defer aaa(int, string)编译器会插入deferproc(SB)函数。 去看一下源码:

//runtime/panic.go

func deferproc(siz int32, fn *funcval) { // arguments of fn follow fn
	if getg().m.curg != getg() {
		throw("defer on system stack")
	}
	sp := getcallersp()
	argp := uintptr(unsafe.Pointer(&fn)) + unsafe.Sizeof(fn)
	callerpc := getcallerpc()

	d := newdefer(siz)
	if d._panic != nil {
		throw("deferproc: d.panic != nil after newdefer")
	}
	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()
}
复制代码
deferproc(siz int32, fn *funcval)
复制代码

发现这个函数的参数是int32,*funcval。它们两个代表什么?我们有gdb去跟踪一下具体什么意思:

图1
siz=0x18就是说siz=24。而aaa(int, string)的参数int占8个字节,string占16个字节。为什么string类型占16个字节? 因为string类型的原型是:

type stringStruct struct {
	str unsafe.Pointer
	len int
}
复制代码

unsafe.Pointer占8个字节,int占8个字节。 具体字符串讲解可以看我以前的文章golang中的string、编码 接下来看*funcval:它的原型如下:

//runtime/runtime2.go

type funcval struct {
   fn uintptr
   // variable-size, fn-specific data here
}
复制代码

funcval是个struct,里面的成员是个fn uintptr,根据fn字面意思猜测是函数的指针。

前文已经说过bbb(int, string)函数的相关数据放到了SP中,那func deferproc(siz int32, fn * funcval) 中的参数就是运行时系统会从sp中拿取siz和*fn然后调用deferproc(siz int32, fn * funcval)。

我们用gdb看一下这里面fn指向的函数到底是什么:

图2
原来d.fn.fn就是aaa(int, string)函数的具体指令。 那d代表什么呢,跟踪发现:

d := newdefer(siz)
复制代码

去看一下它的原型:

func newdefer(siz int32) *_defer
复制代码

它的返回值是*_defer,看一下它的定义:

//runtime/runtime2.go

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
}
复制代码

它是个结构体。我们先查看siz,fn,link这3个参数就好,其他参数由于篇幅有限下文讲解。 siz:deferd函数参数原型字节长度的和。

fn:deferd函数指针。

link: 是什么意思??????

带着问题去看一下newdefer(siz)的实现:

func newdefer(siz int32) *_defer {
	var d *_defer
	sc := deferclass(uintptr(siz))
    // 当前goroutine的g结构体对象  
	gp := getg()
	if sc < uintptr(len(p{}.deferpool)) {
                //当前goroutine绑定的p
		pp := gp.m.p.ptr()
                
		if len(pp.deferpool[sc]) == 0 && sched.deferpool[sc] != nil {
			// Take the slow path on the system stack so
			// we don't grow newdefer's stack.
			systemstack(func() {//切换到系统栈
				lock(&sched.deferlock)
                //从全局deferpool拿一些defer放到p的本地deferpool
				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)
			})
		}
		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]
		}
	}
	if d == nil {//缓存中没有创建defer
		// Allocate new defer+args.
		systemstack(func() {
			total := roundupsize(totaldefersize(uintptr(siz)))
			d = (*_defer)(mallocgc(total, deferType, true))
		})
		if debugCachedWork {
			// Duplicate the tail below so if there's a
			// crash in checkPut we can tell if d was just
			// allocated or came from the pool.
			d.siz = siz
			d.link = gp._defer
			gp._defer = d
			return d
		}
	}
	d.siz = siz //赋值siz
        //将g的_defer赋值给d.link
	d.link = gp._defer
        //d赋值给g._defer
	gp._defer = d
    
	return d
}
复制代码

以上是defer生成过程,大体意思就是先从缓存中找defer如果没有就创建一个,然后将size,link进行赋值。 重点看如下代码:

	d.link = gp._defer
	gp._defer = d
复制代码

以上2行代码实现中已经有解释,这里再详细解释一下: 这2句的意思是,将刚刚生成的defer绑定到g._defer上,就是将最新的defer放到 g._defer上作为链表头。然后将g._defer绑定到d.link上,见下方示意图:

[当前的g]{_defer} => [新的d1]{link} => [g]{老的_defer}

如果再有新生成的defer(d2)则链表如下:

[当前的g]{_defer} => [新的d2]{link} => [新的d1]{link} => [g]{老的_defer}

回到deferproc(siz int32, fn *funcval)函数中来,newdefer(siz)上面第二行是什么意思呢?:

argp := uintptr(unsafe.Pointer(&fn)) + unsafe.Sizeof(fn)
复制代码

继续用gdb跟踪一下,发现涉及到argp的在这一行,见下方截图2:

图2
发现了memmove函数,它的作用是拷贝。就是将argp位置为起点拷贝siz(这里为24个字节)字节到d结构体后后面。 运行这行看一下复制到d结构体后面的数据是什么?见图3:

图3

图3中红框中的第一行是0x64 它的10进制表示为100。证明这个是aaa函数的第一个参数,同理第二行0x4b9621为第二个参数字符串的指针,去看一下是否为预想的那样,见图4:

图4
上图为10进制表示方便ascii中查找对应的字符,从ascii表中可知确实为aaa函数的第二个参数hello aaa。从而我得出结论deferd函数的参数是在deferd结构体后面。第三行代表字符串长度。也就是说第二行和第三行代表了字符串原型(结构体)的值。

继续跟踪函数执行过程:

 defer bbb("hello bbb")
复制代码

bbb(string)的执行过程和上面aaa(int, string)函数执行过程是一样的,这里不再重复演示。 deferproc栈执行完之后运行return处,见图5:

图5

然后按s进入return实现处(到了deferreturn栈),见下图6:

图6

去看一下它的实现:

//rutime/painc.go

//go:nosplit
func deferreturn(arg0 uintptr) {
	gp := getg() //获取当前的g 
	d := gp._defer //获取当前g的_defer链表头

  //d为什么可以为nil,因为defer函数可以嵌套例如:
  //  defer a -> defer b -> defer c
  //deferreturn函数被调用至少一次,就是将链表里的defer都执行完就直接返回了。
	if d == nil {
		return
	}
	sp := getcallersp()
	if d.sp != sp {
		return
	}

    //将deferd函数参数复制到arg0处,为调用deferd函数做准备。
	switch d.siz {
	case 0:
		// Do nothing.
	case sys.PtrSize://如果siz的大小为指针大小直接如下复制,目的是减少cpu运算。
		*(*uintptr)(unsafe.Pointer(&arg0)) = *(*uintptr)(deferArgs(d))
	default:
		memmove(unsafe.Pointer(&arg0), deferArgs(d), uintptr(d.siz))
	}

	fn := d.fn //将d.fn拷贝一份
	d.fn = nil //将d.fn设置为空
	gp._defer = d.link//将当前defer的下一个defer绑定到链表头。
	freedefer(d) //将d释放掉
       //fn为deferd函数,第二个参数为deferd函数的参数
	jmpdefer(fn, uintptr(unsafe.Pointer(&arg0)))
}
复制代码
fn := d.fn
d.fn = nil 
gp._defer = d.link
freedefer(d) 

复制代码

重点解释一下上面4行代码:将链表下一个defer绑定到gp._defer处。将当前的defer释放掉。见下方示意图:

[当前的g]{_defer} => [新的d2]{link} => [新的d1]{link} => [g]{老的_defer}

运行完d2:

[当前的g]{_defer} => [新的d1]{link} => [g]{老的_defer}

然后看一下下方jmpdefer函数:

    jmpdefer(fn, uintptr(unsafe.Pointer(&arg0)))
复制代码

这个函数是具体执行defer函数地方,我们看它实现之前先记住下图图7的deferreturn入口地址,下面会说到这个地址。

图7

jmpdefer函数实现见下方代码:

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
复制代码

一行一行解释:

    MOVQ    fv+0(FP), DX    // fn
复制代码

将函数第一个参数fn指针复制给DX,从而后续代码可以从DX中取fn的指针来执行deferd函数。

    MOVQ    argp+8(FP), BX  // caller sp
复制代码

将函数第二个参数argp指针复制给BX,这个指针是deferd函数第一个参数地址。

    LEAQ    -8(BX), SP  // caller sp after CALL
复制代码

从上面第2条指令可知BX存放的是deferd函数第一个参数地址。因为此时gbd调试的是bbb(string)这个函数,所以此时的参数是个字符串结构体,总共占16个字节,前8个字节是数据指针,后8个是长度。那-8(BX)里面又是什么数据呢,就是说bbb(string)参数值前面(低位)是什么东东。用gdb跟一下执行完这条指令看一下SP(因为赋值给了SP)中内存的值是啥,见图8。

图8
第一行就是我们要确定的-8(BX) 第二行是bbb(string)中参数,它是字符串结构体中字符串指针,指向具体的字符串。 第三行是字符串的长度,这里为9。 我们看一下栈的情况见图9:
图9

0x4872c6是什么,指针?试着去看一下它是否能指向具体内存见下图10

图10
原来是main.xx指令。还记得刚才的图7吗,我在截一下图7,见图11:
图11
红线处下一行就是0x4872c6与图10是一样的值。根据图11,这个地址是rutime.deferreturn(SB)的下一个指令,就是说这个地址是rutime.deferreturn(SB)返回地址。 仔细观察这两个地址:

0x4872c1 == rutime.deferreturn(SB)

0x4872c6 == rutime.deferreturn(SB)的下一个指令地址(也叫返回地址)

发现他们相差5个字节。根据汇编知识可知,cpu是如何找到下一个指令的呢,是通过当前指令所占字节数所确定的。 len(0x4872c6) - len(0x4872c1) == 5 可知

call runtime.deferreturn(sb)
复制代码

占5个字节,所以0x4872c1+5就可得到下一个指令首地址。

第4行:

    MOVQ    -8(SP), BP  // restore BP as if deferreturn returned (harmless if framepointers not in use)
复制代码

打印BP的值=0xc000032778 看一下栈的情况,见图12

图12
当前的栈已经是main.xx了。

第5行:

SUBQ  $5, (SP)  # return to CALL again
复制代码

从第3行中的解释可知,如果SP所指向的数据(runtime.deferreturn返回地址)减5的话,正好是runtime.deferreturn(SB)的指令入口。见图13:

图13

第6,7行:

MOVQ    0(DX), BX
JMP BX  // but first run the deferred function
复制代码

将DX所指向的函数指令赋值给BX 执行fn.fn也就是bbb(string)。 执行到bbb(string)处,见图14

图14
此时的rsp向低地址移动了0x70个字节。 将bbb(string)末尾打上断点并执行到那里见图15:
图15
图14中SP向低地址移动了0x70。 图15中SP向高地址移动了0x70。 就是SP会恢复到之前的指向状态。之前的SP指向哪里呢?就是图13演示中的runtime.deferreturn(SB)入口处。 在看图15 add rsp, 0x70指令下一行是个ret指令。这个在bbb(string)函数是没有的,是编译器添加上去的,目的是pop当前栈顶的8个字节到rip寄存器中,这样cpu执行rip里的指令就会执行到runtime.deferreturn(SB)里从而实现了类似递归的调用deferreturn(SB)的作用。这样就依次可以把deferd链上的执行完。

继续到runtime.deferreturn(SB)中 如下代码:

    if d == nil {
        return
    }
复制代码

这个个if语句就是判断defer链上是否还有deferd函数,如果没有就直接返回了。从而避免无限递归循环下去。 里面还有几句代码:

sp := getcallersp()
    if d.sp != sp {
        return
    }
复制代码

有兴趣的小伙伴可以去试着看一下这里为什么这么写,由于时间有限这段代码的研究就不在这里展开了。

这篇文章主要是讲解defer的执行过程,由于篇幅原因,我把panic、recover、还有容易出错的defer语句的探究在下一篇中讲解,敬请期待~

参考 defer ---go语言核心编程技术 golang中的defer

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