golang中defer的执行过程是怎样的？

作者: XITEHIP | 来源:发表于2019-07-18 16:21 被阅读0次

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)
}

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)

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)

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)

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()
}

deferproc(siz int32, fn *funcval)

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
}

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
}

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)

去看一下它的原型：

func newdefer(siz int32) *_defer

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
}

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
}

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

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)

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")

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)))
}

fn := d.fn
d.fn = nil 
gp._defer = d.link
freedefer(d)

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)))

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

一行一行解释：

    MOVQ    fv+0(FP), DX    // fn

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

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

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+145地址处的call runtime.deferreturn指令。还记得刚才的图7吗，我再截一下图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)

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)

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

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

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
    }

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
    }

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

golang中defer的执行过程是怎样的？

在同一个goroutine中：

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

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

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

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

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