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2020
09-24

Go语言defer语句的三种机制整理

Golang 的 1.13 版本 与 1.14 版本对 defer 进行了两次优化，使得 defer 的性能开销在大部分场景下都得到大幅降低，其中到底经历了什么原理？

这是因为这两个版本对 defer 各加入了一项新的机制，使得 defer 语句在编译时，编译器会根据不同版本与情况，对每个 defer 选择不同的机制，以更轻量的方式运行调用。

堆上分配

在 Golang 1.13 之前的版本中，所有 defer 都是在堆上分配，该机制在编译时会进行两个步骤：

  1. 在 defer 语句的位置插入 runtime.deferproc，当被执行时，延迟调用会被保存为一个 _defer 记录，并将被延迟调用的入口地址及其参数复制保存，存入 Goroutine 的调用链表中。
  2. 在函数返回之前的位置插入 runtime.deferreturn，当被执行时，会将延迟调用从 Goroutine 链表中取出并执行，多个延迟调用则以 jmpdefer 尾递归调用方式连续执行。

这种机制的主要性能问题存在于每个 defer 语句产生记录时的内存分配，以及记录参数和完成调用时参数移动的系统调用开销。

栈上分配

Go 1.13 版本新加入 deferprocStack 实现了在栈上分配的形式来取代 deferproc，相比后者，栈上分配在函数返回后 _defer 便得到释放，省去了内存分配时产生的性能开销，只需适当维护 _defer 的链表即可。

编译器有自己的逻辑去选择使用 deferproc 还是 deferprocStack，大部分情况下都会使用后者，性能会提升约 30%。不过在 defer 语句出现在了循环语句里，或者无法执行更高阶的编译器优化时，亦或者同一个函数中使用了过多的 defer 时，依然会使用 deferproc。

开放编码

Go 1.14 版本继续加入了开发编码（open coded），该机制会将延迟调用直接插入函数返回之前，省去了运行时的 deferproc 或 deferprocStack 操作，在运行时的 deferreturn 也不会进行尾递归调用，而是直接在一个循环中遍历所有延迟函数执行。

这种机制使得 defer 的开销几乎可以忽略，唯一的运行时成本就是存储参与延迟调用的相关信息，不过使用此机制需要一些条件：

  1. 没有禁用编译器优化，即没有设置 -gcflags "-N"；
  2. 函数内 defer 的数量不超过 8 个，且返回语句与延迟语句个数的乘积不超过 15；
  3. defer 不是在循环语句中。

该机制还引入了一种元素 —— 延迟比特（defer bit），用于运行时记录每个 defer 是否被执行（尤其是在条件判断分支中的 defer），从而便于判断最后的延迟调用该执行哪些函数。

延迟比特的原理：

同一个函数内每出现一个 defer 都会为其分配 1 个比特，如果被执行到则设为 1，否则设为 0，当到达函数返回之前需要判断延迟调用时，则用掩码判断每个位置的比特，若为 1 则调用延迟函数，否则跳过。

为了轻量，官方将延迟比特限制为 1 个字节，即 8 个比特，这就是为什么不能超过 8 个 defer 的原因，若超过依然会选择堆栈分配，但显然大部分情况不会超过 8 个。

用代码演示如下：

deferBits = 0 // 延迟比特初始值 00000000

deferBits |= 1<<0 // 执行第一个 defer，设置为 00000001
_f1 = f1 // 延迟函数
_a1 = a1 // 延迟函数的参数
if cond {
  // 如果第二个 defer 被执行，则设置为 00000011，否则依然为 00000001
  deferBits |= 1<<1
  _f2 = f2
  _a2 = a2
}
...
exit:
// 函数返回之前，倒序检查延迟比特，通过掩码逐位进行与运算，来判断是否调用函数

// 假如 deferBits 为 00000011，则 00000011 & 00000010 != 0，因此调用 f2
// 否则 00000001 & 00000010 == 0，不调用 f2
if deferBits & 1<<1 != 0 {
  deferBits &^= 1<<1 // 移位为下次判断准备
  _f2(_a2)
}
// 同理，由于 00000001 & 00000001 != 0，调用 f1
if deferBits && 1<<0 != 0 {
  deferBits &^= 1<<0
  _f1(_a1)
}

总结

以往 Golang defer 语句的性能问题一直饱受诟病，最近正式发布的 1.14 版本终于为这个争议画上了阶段性的句号。如果不是在特殊情况下，我们不需要再计较 defer 的性能开销。

参考资料

[1] Ou Changkun - Go 语言原本

[2] 峰云就她了 - go1.14实现defer性能大幅度提升原理

[3] 34481-opencoded-defers

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