详解go中的defer链如何被遍历执行

go中的defer 链如何被遍历执行

为了在退出函数前执行一些资源清理的操作，例如关闭文件、释放连接、释放锁资源等，会在函数里写上多个 defer 语句，被 defered 的函数，以“先进后出”的顺序，在 RET 指令前得以执行。

在一条函数调用链中，多个函数中会出现多个 defer 语句。例如：a()→b()→c() 中，每个函数里都有 defer 语句，而这些 defer 语句会创建对应个数的 _defer 结构体，这些结构体以链表的形式“挂”在 G 结构体下。看起来像这样，如图 2-1 所示。

多个 _defer 结构体形成一个链表，G 结构体中某个字段指向此链表。在编译器的“加持下”，defer 语句会先调用deferporc 函数，new 一个_defer 结构体，挂到 G 上。当然，调用 new 之前会优先从当前 G 所绑定的 P 的 defer pool 里取，没取到则会去全局的defer pool 里取，实在没有的话才新建一个。这是 Go runtime 里非常常见的操作，即设置多级缓存，提升运行效率。

在执行 RET 指令之前（注意不是 return 之前），调用 deferreturn 函数完成 _defer 链表的遍历，执行完这条链上所有被 defered 的函数（如关闭文件、释放连接、释放锁资源等）。在deferreturn 函数的最后，会使用 jmpdefer 跳转到之前被 defered 的函数，这时控制权从 runtime 转移到了用户自定义的函数。这只是执行了一个被 defered 的函数，那这条链上其他的被 defered 的函数，该如何得到执行？

答案就是控制权会再次交给 runtime，并再次执行 deferreturn 函数，完成 defer 链表的遍历。那这一切是如何完成的？
这就要从 Go 汇编的栈帧说起了。先看一个汇编函数的声明：

TEXT runtime·gogo(SB), NOSPLIT, $16-8

最后两个数字分别表示：①gogo 函数的栈帧大小为 16B，即函数的局部变量和为调用子函数准备的参数、返回值共需要 16B 的栈空间；②参数和返回值的大小加起来是 8B。实际上，gogo 函数的声明是这样的：

// func gogo(buf *gobuf)

参数及返回值的大小是给调用者“看”的，调用者根据这个数字可以构造栈：准备好被调函数需要的参数及返回值。

典型的函数调用场景下参数布局图如图 2-2 所示：

● 图 2-2 函数调用参数布局

图 2-2 中左半部分，主调函数准备好调用子函数的参数及返回值，执行 CALL 指令，将返回地址 return address 压入栈顶，相当于执行了 PUSH IP。之后，将 BP 寄存器的值入栈，相当于执行了 PUSH BP，再 JMP 到被调函数。BP 指的是栈基址指针，SP 是指栈顶指针。

图中 return address 表示子函数执行完毕后，返回到上层函数中调用子函数语句的下一条要执行的指令，它属于 caller 的栈帧；而调用者的 BP 则属于被调函数的栈帧。

子函数执行完毕后，执行 RET 指令：首先将子函数栈底部的值（图 2-2 中的调用者的 BP）赋到 CPU 的 BP 寄存器中，于是 BP 指向上层函数的 BP；再将 return address 赋到 IP 寄存器中，这时 SP 回到左图所示的位置。相当于还原了整个调用子函数的现场，好像一切都没发生过，而实际上“调用子函数的返回值”已经被填充上了正确的值，例如两个数相加的结果；接着，CPU 继续执行 IP 寄存器里的下一条指令。

再回到 defer 上来，其实在构造 _defer 结构体的时候，需要将当前函数的 SP、被 defered 的函数指针保存到 _defer 结构体中。并且会将被 defered 的函数所需要的参数复制到和 _defer 结构体相邻的位置。最终在调用被 defered 的函数的时候，用的就是这时被复制的值，相当于使用了它的一个“快照”，如果此参数不是指针或引用类型的话，会产生一些意料之外的 bug。

最后，在 deferreturn 函数里，遍历 _defer 链表，这些被 defered 的函数得以执行，_defer 链表也会被逐渐“消耗”完。

来看一个例子：

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)
}

执行完 f 函数时，最终会进入 deferreturn 函数：

// 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)) // 移动参数
	}

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

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

因为是在遍历 _defer 链表，所以得加入一个终止的条件：

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

当 _defer 链表为空的时候，终止遍历。在后面的代码里会看到，每执行完一个被 defered 的函数后，都会将 _defer 结构体从链表中删除并回收，所以 _defer 链表会越来越短，直至为空。

函数中 switch 语句里要做的就是准备好被 defered 的函数（例子中就是 sum 函数）所需要的a、b 两个 int 型参数。参数从哪来？从 _defer 结构体相邻的位置，还记得吗，这是在 deferproc 函数里复制过去的。deferArgs(d) 返回的就是当时复制的目的地址。那要复制到哪去？答案是：unsafe.Pointer(&arg0)。因为，arg0 是 deferreturn 函数的参数，而在 Go 汇编中，一个函数的参数是由它的主调函数准备的。因此 arg0 的地址实际上就是它的上层函数（在这里就是 f 函数）的栈上放调用子函数参数的位置，回忆一下前面讲函数栈帧的图。函数的最后，通过 jmpdefer 跳转到被 defered 的 sum 函数：

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

这里 fn 就是 sum 函数。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 的函数的地址
 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

首先将 sum 函数的地址放到 DX 寄存器中，最后通过 JMP 指令去执行。

MOVQ argp+8(FP), BX 
LEAQ -8(BX), SP // 执行 CALL 指令后 f 函数的栈顶

这两行实际上是调整了下当前 SP 寄存器的值，因为 argp+8(FP) 实际上是 jmpdefer 的第二个参数（它在 deferreturn 函数中），它指向 f 函数栈帧中的刚被复制过来的 sum 函数的参数。而 -8(BX) 就代表了 f 函数调用 deferreturn 的返回地址，实际上就是 f 调用 deferreturn 函数的下一条指令地址。

接着，MOVQ -8(SP), BP 这条指令重置了 BP 寄存器，使它指向了 f 栈帧 的 BP。这样，SP、BP 寄存器回到了 f 函数调用 deferreturn 之前的状态：f 刚准备好调用 deferreturn 的参数，并且把返回值压栈了。也就相当于抛弃了 deferreturn 函数的栈帧。

接着 SUBQ $5, (SP) 把返回地址减少了 5B，刚好是一个 CALL 指令的长度。什么意思？当执行完 deferreturn 函数之后，执行流程会返回到 CALL deferreturn 的下一条指令，将这个值减少 5B，也就又回到了 CALL deferreturn 指令，从而实现了“递归地”调用 deferreturn 函数的效果。当然，栈却不会再增长。

上面所描述的整个过程，结合图 2-3 会更容易理解： 

jmpdefer 函数的最后会执行 sum 函数，看起来就像是 f 函数直接调用 sum 函数一样，参数、返回值都是就绪的。

● 图 2-3 执行 jmpdefer

等到 sum 函数执行完，执行流程就会跳转到 call deferreturn 指令处重新进入 deferreturn 函数，遍历完所有的_defer 结构体，执行完所有的被 defered 的函数，才真正执行完 deferretrun 函数，如图 2-4 所示。

● 图 2-4 重新调用 deferreturn

综上所述，实现遍历 defer 链表的关键就是 jmpdefer 函数所做的一些“见不得人”的工作，将调用 deferreturn 函数的返回地址减少了 5 个字节，使得被 defered 的函数执行完后，又回到CALL deferreturn 指令处，从而实现“递归地”调用 deferreturn 函数，完成 _defer 链表的遍历。

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