Go語(yǔ)言defer語(yǔ)句的三種機(jī)制整理

Golang 的 1.13 版本 與 1.14 版本對(duì) defer 進(jìn)行了兩次優(yōu)化，使得 defer 的性能開銷在大部分場(chǎng)景下都得到大幅降低，其中到底經(jīng)歷了什么原理？

這是因?yàn)檫@兩個(gè)版本對(duì) defer 各加入了一項(xiàng)新的機(jī)制，使得 defer 語(yǔ)句在編譯時(shí)，編譯器會(huì)根據(jù)不同版本與情況，對(duì)每個(gè) defer 選擇不同的機(jī)制，以更輕量的方式運(yùn)行調(diào)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，該機(jī)制在編譯時(shí)會(huì)進(jìn)行兩個(gè)步驟：

1. 在 defer 語(yǔ)句的位置插入 runtime.deferproc，當(dāng)被執(zhí)行時(shí)，延遲調(diào)用會(huì)被保存為一個(gè) _defer 記錄，并將被延遲調(diào)用的入口地址及其參數(shù)復(fù)制保存，存入 Goroutine 的調(diào)用鏈表中。
   
2. 在函數(shù)返回之前的位置插入 runtime.deferreturn，當(dāng)被執(zhí)行時(shí)，會(huì)將延遲調(diào)用從 Goroutine 鏈表中取出并執(zhí)行，多個(gè)延遲調(diào)用則以 jmpdefer 尾遞歸調(diào)用方式連續(xù)執(zhí)行。

這種機(jī)制的主要性能問(wèn)題存在于每個(gè) defer 語(yǔ)句產(chǎn)生記錄時(shí)的內(nèi)存分配，以及記錄參數(shù)和完成調(diào)用時(shí)參數(shù)移動(dòng)的系統(tǒng)調(diào)用開銷。

棧上分配

Go 1.13 版本新加入 deferprocStack 實(shí)現(xiàn)了在棧上分配的形式來(lái)取代 deferproc，相比后者，棧上分配在函數(shù)返回后 _defer 便得到釋放，省去了內(nèi)存分配時(shí)產(chǎn)生的性能開銷，只需適當(dāng)維護(hù) _defer 的鏈表即可。

編譯器有自己的邏輯去選擇使用 deferproc 還是 deferprocStack，大部分情況下都會(huì)使用后者，性能會(huì)提升約 30%。不過(guò)在 defer 語(yǔ)句出現(xiàn)在了循環(huán)語(yǔ)句里，或者無(wú)法執(zhí)行更高階的編譯器優(yōu)化時(shí)，亦或者同一個(gè)函數(shù)中使用了過(guò)多的 defer 時(shí)，依然會(huì)使用 deferproc。

開放編碼

Go 1.14 版本繼續(xù)加入了開發(fā)編碼（open coded），該機(jī)制會(huì)將延遲調(diào)用直接插入函數(shù)返回之前，省去了運(yùn)行時(shí)的 deferproc 或 deferprocStack 操作，在運(yùn)行時(shí)的 deferreturn 也不會(huì)進(jìn)行尾遞歸調(diào)用，而是直接在一個(gè)循環(huán)中遍歷所有延遲函數(shù)執(zhí)行。

這種機(jī)制使得 defer 的開銷幾乎可以忽略，唯一的運(yùn)行時(shí)成本就是存儲(chǔ)參與延遲調(diào)用的相關(guān)信息，不過(guò)使用此機(jī)制需要一些條件：

1. 沒(méi)有禁用編譯器優(yōu)化，即沒(méi)有設(shè)置 -gcflags "-N"；
   
2. 函數(shù)內(nèi) defer 的數(shù)量不超過(guò) 8 個(gè)，且返回語(yǔ)句與延遲語(yǔ)句個(gè)數(shù)的乘積不超過(guò) 15；
   
3. defer 不是在循環(huán)語(yǔ)句中。
   

該機(jī)制還引入了一種元素 —— 延遲比特（defer bit），用于運(yùn)行時(shí)記錄每個(gè) defer 是否被執(zhí)行（尤其是在條件判斷分支中的 defer），從而便于判斷最后的延遲調(diào)用該執(zhí)行哪些函數(shù)。

延遲比特的原理：

同一個(gè)函數(shù)內(nèi)每出現(xiàn)一個(gè) defer 都會(huì)為其分配 1 個(gè)比特，如果被執(zhí)行到則設(shè)為 1，否則設(shè)為 0，當(dāng)?shù)竭_(dá)函數(shù)返回之前需要判斷延遲調(diào)用時(shí)，則用掩碼判斷每個(gè)位置的比特，若為 1 則調(diào)用延遲函數(shù)，否則跳過(guò)。

為了輕量，官方將延遲比特限制為 1 個(gè)字節(jié)，即 8 個(gè)比特，這就是為什么不能超過(guò) 8 個(gè) defer 的原因，若超過(guò)依然會(huì)選擇堆棧分配，但顯然大部分情況不會(huì)超過(guò) 8 個(gè)。

用代碼演示如下：

deferBits = 0 // 延遲比特初始值 00000000

deferBits |= 1<<0 // 執(zhí)行第一個(gè) defer，設(shè)置為 00000001
_f1 = f1 // 延遲函數(shù)
_a1 = a1 // 延遲函數(shù)的參數(shù)
if cond {
  // 如果第二個(gè) defer 被執(zhí)行，則設(shè)置為 00000011，否則依然為 00000001
  deferBits |= 1<<1
  _f2 = f2
  _a2 = a2
}
...
exit:
// 函數(shù)返回之前，倒序檢查延遲比特，通過(guò)掩碼逐位進(jìn)行與運(yùn)算，來(lái)判斷是否調(diào)用函數(shù)

// 假如 deferBits 為 00000011，則 00000011 & 00000010 != 0，因此調(diào)用 f2
// 否則 00000001 & 00000010 == 0，不調(diào)用 f2
if deferBits & 1<<1 != 0 {
  deferBits &^= 1<<1 // 移位為下次判斷準(zhǔn)備
  _f2(_a2)
}
// 同理，由于 00000001 & 00000001 != 0，調(diào)用 f1
if deferBits && 1<<0 != 0 {
  deferBits &^= 1<<0
  _f1(_a1)
}

總結(jié)

以往 Golang defer 語(yǔ)句的性能問(wèn)題一直飽受詬病，最近正式發(fā)布的 1.14 版本終于為這個(gè)爭(zhēng)議畫上了階段性的句號(hào)。如果不是在特殊情況下，我們不需要再計(jì)較 defer 的性能開銷。

參考資料

[1] Ou Changkun - Go 語(yǔ)言原本

[2] 峰云就她了 - go1.14實(shí)現(xiàn)defer性能大幅度提升原理

[3] 34481-opencoded-defers

到此這篇關(guān)于Go語(yǔ)言defer語(yǔ)句的三種機(jī)制整理的文章就介紹到這了,更多相關(guān)探究Go語(yǔ)言defer語(yǔ)句的三種機(jī)制內(nèi)容請(qǐng)搜索億速云以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持億速云！