go中的defer 鏈如何被遍歷執(zhí)行

為了在退出函數(shù)前執(zhí)行一些資源清理的操作，例如關(guān)閉文件、釋放連接、釋放鎖資源等，會(huì)在函數(shù)里寫(xiě)上多個(gè) defer 語(yǔ)句，被 defered 的函數(shù)，以“先進(jìn)后出”的順序，在 RET 指令前得以執(zhí)行。

在一條函數(shù)調(diào)用鏈中，多個(gè)函數(shù)中會(huì)出現(xiàn)多個(gè) defer 語(yǔ)句。例如：a()→b()→c() 中，每個(gè)函數(shù)里都有 defer 語(yǔ)句，而這些 defer 語(yǔ)句會(huì)創(chuàng)建對(duì)應(yīng)個(gè)數(shù)的 _defer 結(jié)構(gòu)體，這些結(jié)構(gòu)體以鏈表的形式“掛”在 G 結(jié)構(gòu)體下?？雌饋?lái)像這樣，如圖 2-1 所示。

多個(gè) _defer 結(jié)構(gòu)體形成一個(gè)鏈表，G 結(jié)構(gòu)體中某個(gè)字段指向此鏈表。在編譯器的“加持下”，defer 語(yǔ)句會(huì)先調(diào)用deferporc 函數(shù)，new 一個(gè)_defer 結(jié)構(gòu)體，掛到 G 上。當(dāng)然，調(diào)用 new 之前會(huì)優(yōu)先從當(dāng)前 G 所綁定的 P 的 defer pool 里取，沒(méi)取到則會(huì)去全局的defer pool 里取，實(shí)在沒(méi)有的話才新建一個(gè)。這是 Go runtime 里非常常見(jiàn)的操作，即設(shè)置多級(jí)緩存，提升運(yùn)行效率。

在執(zhí)行 RET 指令之前（注意不是 return 之前），調(diào)用 deferreturn 函數(shù)完成 _defer 鏈表的遍歷，執(zhí)行完這條鏈上所有被 defered 的函數(shù)（如關(guān)閉文件、釋放連接、釋放鎖資源等）。在deferreturn 函數(shù)的最后，會(huì)使用 jmpdefer 跳轉(zhuǎn)到之前被 defered 的函數(shù)，這時(shí)控制權(quán)從 runtime 轉(zhuǎn)移到了用戶自定義的函數(shù)。這只是執(zhí)行了一個(gè)被 defered 的函數(shù)，那這條鏈上其他的被 defered 的函數(shù)，該如何得到執(zhí)行？

答案就是控制權(quán)會(huì)再次交給 runtime，并再次執(zhí)行 deferreturn 函數(shù)，完成 defer 鏈表的遍歷。那這一切是如何完成的？
這就要從 Go 匯編的棧幀說(shuō)起了。先看一個(gè)匯編函數(shù)的聲明：

TEXT runtime·gogo(SB), NOSPLIT, $16-8

最后兩個(gè)數(shù)字分別表示：①gogo 函數(shù)的棧幀大小為 16B，即函數(shù)的局部變量和為調(diào)用子函數(shù)準(zhǔn)備的參數(shù)、返回值共需要 16B 的?？臻g；②參數(shù)和返回值的大小加起來(lái)是 8B。實(shí)際上，gogo 函數(shù)的聲明是這樣的：

// func gogo(buf *gobuf)

參數(shù)及返回值的大小是給調(diào)用者“看”的，調(diào)用者根據(jù)這個(gè)數(shù)字可以構(gòu)造棧：準(zhǔn)備好被調(diào)函數(shù)需要的參數(shù)及返回值。

典型的函數(shù)調(diào)用場(chǎng)景下參數(shù)布局圖如圖 2-2 所示：

● 圖 2-2 函數(shù)調(diào)用參數(shù)布局

圖 2-2 中左半部分，主調(diào)函數(shù)準(zhǔn)備好調(diào)用子函數(shù)的參數(shù)及返回值，執(zhí)行 CALL 指令，將返回地址 return address 壓入棧頂，相當(dāng)于執(zhí)行了 PUSH IP。之后，將 BP 寄存器的值入棧，相當(dāng)于執(zhí)行了 PUSH BP，再 JMP 到被調(diào)函數(shù)。BP 指的是?；分羔槪琒P 是指棧頂指針。

圖中 return address 表示子函數(shù)執(zhí)行完畢后，返回到上層函數(shù)中調(diào)用子函數(shù)語(yǔ)句的下一條要執(zhí)行的指令，它屬于 caller 的棧幀；而調(diào)用者的 BP 則屬于被調(diào)函數(shù)的棧幀。

子函數(shù)執(zhí)行完畢后，執(zhí)行 RET 指令：首先將子函數(shù)棧底部的值（圖 2-2 中的調(diào)用者的 BP）賦到 CPU 的 BP 寄存器中，于是 BP 指向上層函數(shù)的 BP；再將 return address 賦到 IP 寄存器中，這時(shí) SP 回到左圖所示的位置。相當(dāng)于還原了整個(gè)調(diào)用子函數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)，好像一切都沒(méi)發(fā)生過(guò)，而實(shí)際上“調(diào)用子函數(shù)的返回值”已經(jīng)被填充上了正確的值，例如兩個(gè)數(shù)相加的結(jié)果；接著，CPU 繼續(xù)執(zhí)行 IP 寄存器里的下一條指令。

再回到 defer 上來(lái)，其實(shí)在構(gòu)造 _defer 結(jié)構(gòu)體的時(shí)候，需要將當(dāng)前函數(shù)的 SP、被 defered 的函數(shù)指針保存到 _defer 結(jié)構(gòu)體中。并且會(huì)將被 defered 的函數(shù)所需要的參數(shù)復(fù)制到和 _defer 結(jié)構(gòu)體相鄰的位置。最終在調(diào)用被 defered 的函數(shù)的時(shí)候，用的就是這時(shí)被復(fù)制的值，相當(dāng)于使用了它的一個(gè)“快照”，如果此參數(shù)不是指針或引用類(lèi)型的話，會(huì)產(chǎn)生一些意料之外的 bug。

最后，在 deferreturn 函數(shù)里，遍歷 _defer 鏈表，這些被 defered 的函數(shù)得以執(zhí)行，_defer 鏈表也會(huì)被逐漸“消耗”完。

來(lái)看一個(gè)例子：

package main

import "fmt"

func sum(a, b int) {
	c := a + b
	fmt.Println("sum:", c)
}
func f(a, b int) {
	defer sum(a, b)
	fmt.Printf("a: %d, b: %d\n", a, b)
}
func main() {
	a, b := 1, 2
	f(a, b)
}

執(zhí)行完 f 函數(shù)時(shí)，最終會(huì)進(jìn)入 deferreturn 函數(shù)：

// src/runtime/panic.go
func deferreturn(arg0 uintptr) {
	gp := getg()
	d := gp._defer
	if d == nil {
	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)) // 移動(dòng)參數(shù)
	}

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

	_ = fn.fn
	jmpdefer(fn, uintptr(unsafe.Pointer(&arg0)))
}

因?yàn)槭窃诒闅v _defer 鏈表，所以得加入一個(gè)終止的條件：

d := gp._defer 
if d == nil { 
   return 
}

當(dāng) _defer 鏈表為空的時(shí)候，終止遍歷。在后面的代碼里會(huì)看到，每執(zhí)行完一個(gè)被 defered 的函數(shù)后，都會(huì)將 _defer 結(jié)構(gòu)體從鏈表中刪除并回收，所以 _defer 鏈表會(huì)越來(lái)越短，直至為空。

函數(shù)中 switch 語(yǔ)句里要做的就是準(zhǔn)備好被 defered 的函數(shù)（例子中就是 sum 函數(shù)）所需要的a、b 兩個(gè) int 型參數(shù)。參數(shù)從哪來(lái)？從 _defer 結(jié)構(gòu)體相鄰的位置，還記得嗎，這是在 deferproc 函數(shù)里復(fù)制過(guò)去的。deferArgs(d) 返回的就是當(dāng)時(shí)復(fù)制的目的地址。那要復(fù)制到哪去？答案是：unsafe.Pointer(&arg0)。因?yàn)?，arg0 是 deferreturn 函數(shù)的參數(shù)，而在 Go 匯編中，一個(gè)函數(shù)的參數(shù)是由它的主調(diào)函數(shù)準(zhǔn)備的。因此 arg0 的地址實(shí)際上就是它的上層函數(shù)（在這里就是 f 函數(shù)）的棧上放調(diào)用子函數(shù)參數(shù)的位置，回憶一下前面講函數(shù)棧幀的圖。函數(shù)的最后，通過(guò) jmpdefer 跳轉(zhuǎn)到被 defered 的 sum 函數(shù)：

jmpdefer(fn, uintptr(unsafe.Pointer(&arg0)))

這里 fn 就是 sum 函數(shù)。核心在于 jmpdefer 所做的事：

// src/runtime/asm_amd64.s 
TEXT runtime·jmpdefer(SB), NOSPLIT, $0-16 
 MOVQ fv+0(FP), DX // fn，defer 的函數(shù)的地址
 MOVQ argp+8(FP), BX 
 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

首先將 sum 函數(shù)的地址放到 DX 寄存器中，最后通過(guò) JMP 指令去執(zhí)行。

MOVQ argp+8(FP), BX 
LEAQ -8(BX), SP // 執(zhí)行 CALL 指令后 f 函數(shù)的棧頂

這兩行實(shí)際上是調(diào)整了下當(dāng)前 SP 寄存器的值，因?yàn)?argp+8(FP) 實(shí)際上是 jmpdefer 的第二個(gè)參數(shù)（它在 deferreturn 函數(shù)中），它指向 f 函數(shù)棧幀中的剛被復(fù)制過(guò)來(lái)的 sum 函數(shù)的參數(shù)。而 -8(BX) 就代表了 f 函數(shù)調(diào)用 deferreturn 的返回地址，實(shí)際上就是 f 調(diào)用 deferreturn 函數(shù)的下一條指令地址。

接著，MOVQ -8(SP), BP 這條指令重置了 BP 寄存器，使它指向了 f 棧幀 的 BP。這樣，SP、BP 寄存器回到了 f 函數(shù)調(diào)用 deferreturn 之前的狀態(tài)：f 剛準(zhǔn)備好調(diào)用 deferreturn 的參數(shù)，并且把返回值壓棧了。也就相當(dāng)于拋棄了 deferreturn 函數(shù)的棧幀。

接著 SUBQ $5, (SP) 把返回地址減少了 5B，剛好是一個(gè) CALL 指令的長(zhǎng)度。什么意思？當(dāng)執(zhí)行完 deferreturn 函數(shù)之后，執(zhí)行流程會(huì)返回到 CALL deferreturn 的下一條指令，將這個(gè)值減少 5B，也就又回到了 CALL deferreturn 指令，從而實(shí)現(xiàn)了“遞歸地”調(diào)用 deferreturn 函數(shù)的效果。當(dāng)然，棧卻不會(huì)再增長(zhǎng)。

上面所描述的整個(gè)過(guò)程，結(jié)合圖 2-3 會(huì)更容易理解： 

jmpdefer 函數(shù)的最后會(huì)執(zhí)行 sum 函數(shù)，看起來(lái)就像是 f 函數(shù)直接調(diào)用 sum 函數(shù)一樣，參數(shù)、返回值都是就緒的。

● 圖 2-3 執(zhí)行 jmpdefer

等到 sum 函數(shù)執(zhí)行完，執(zhí)行流程就會(huì)跳轉(zhuǎn)到 call deferreturn 指令處重新進(jìn)入 deferreturn 函數(shù)，遍歷完所有的_defer 結(jié)構(gòu)體，執(zhí)行完所有的被 defered 的函數(shù)，才真正執(zhí)行完 deferretrun 函數(shù)，如圖 2-4 所示。

● 圖 2-4 重新調(diào)用 deferreturn

綜上所述，實(shí)現(xiàn)遍歷 defer 鏈表的關(guān)鍵就是 jmpdefer 函數(shù)所做的一些“見(jiàn)不得人”的工作，將調(diào)用 deferreturn 函數(shù)的返回地址減少了 5 個(gè)字節(jié)，使得被 defered 的函數(shù)執(zhí)行完后，又回到CALL deferreturn 指令處，從而實(shí)現(xiàn)“遞歸地”調(diào)用 deferreturn 函數(shù)，完成 _defer 鏈表的遍歷。

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