在 Go 语言中 defer 是一个非常有意思的关键字特性。例子如下:

package main
import "fmt"
func main() {
defer fmt.Println("煎鱼了")
fmt.Println("脑子进")
}

输出结果是:

脑子进
煎鱼了

在前几天我的读者群内有小伙伴讨论起了下面这个问题:

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简单来讲,问题就是针对在 for 循环里搞 defer 关键字,是否会造成什么性能影响

因为在 Go 语言的底层数据结构设计上 defer 是链表的数据结构:

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大家担心如果循环过大 defer 链表会巨长,不够 “精益求精”。又或是猜想会不会 Go defer 的设计和 Redis 数据结构设计类似,自己做了优化,其实没啥大影响?

今天这篇文章,我们就来探索循环 Go defer,造成底层链表过长会不会带来什么问题,若有,具体有什么影响?

开始吸鱼之路。

defer 性能优化 30%

在早年 Go1.13 时曾经对 defer 进行了一轮性能优化,在大部分场景下 提高了 defer 30% 的性能:

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我们来回顾一下 Go1.13 的变更,看看 Go defer 优化在了哪里,这是问题的关键点。

以前和现在对比

在 Go1.12 及以前,调用 Go defer 时汇编代码如下:

    0x0070 00112 (main.go:6)    CALL    runtime.deferproc(SB)
0x0075 00117 (main.go:6)    TESTL    AX, AX
0x0077 00119 (main.go:6)    JNE    137
0x0079 00121 (main.go:7)    XCHGL    AX, AX
0x007a 00122 (main.go:7)    CALL    runtime.deferreturn(SB)
0x007f 00127 (main.go:7)    MOVQ    56(SP), BP

在 Go1.13 及以后,调用 Go defer 时汇编代码如下:

    0x006e 00110 (main.go:4)    MOVQ    AX, (SP)
0x0072 00114 (main.go:4)    CALL    runtime.deferprocStack(SB)
0x0077 00119 (main.go:4)    TESTL    AX, AX
0x0079 00121 (main.go:4)    JNE    139
0x007b 00123 (main.go:7)    XCHGL    AX, AX
0x007c 00124 (main.go:7)    CALL    runtime.deferreturn(SB)
0x0081 00129 (main.go:7)    MOVQ    112(SP), BP

从汇编的角度来看,像是原本调用 runtime.deferproc 方法改成了调用 runtime.deferprocStack 方法,难道是做了什么优化?

我们抱着疑问继续看下去。

defer 最小单元:_defer

相较于以前的版本,Go defer 的最小单元 _defer 结构体主要是新增了 heap 字段:

type _defer struct {
siz     int32
siz     int32 // includes both arguments and results
started bool
heap    bool
sp      uintptr // sp at time of defer
pc      uintptr
fn      *funcval
...

该字段用于标识这个 _defer 是在堆上,还是在栈上进行分配,其余字段并没有明确变更,那我们可以把聚焦点放在 defer 的堆栈分配上了,看看是做了什么事。

deferprocStack

func deferprocStack(d *_defer) {
gp := getg()
if gp.m.curg != gp {
throw("defer on system stack")
}
d.started = false
d.heap = false
d.sp = getcallersp()
d.pc = getcallerpc()
*(*uintptr)(unsafe.Pointer(&d._panic)) = 0
*(*uintptr)(unsafe.Pointer(&d.link)) = uintptr(unsafe.Pointer(gp._defer))
*(*uintptr)(unsafe.Pointer(&gp._defer)) = uintptr(unsafe.Pointer(d))
return0()
}

这一块代码挺常规的,主要是获取调用 defer 函数的函数栈指针、传入函数的参数具体地址以及PC(程序计数器),这块在前文 《深入理解 Go defer》 有详细介绍过,这里就不再赘述了。

这个 deferprocStack 特殊在哪呢?

可以看到它把 d.heap 设置为了 false,也就是代表 deferprocStack 方法是针对将 _defer 分配在栈上的应用场景的。

deferproc

问题来了,它又在哪里处理分配到堆上的应用场景呢?

func newdefer(siz int32) *_defer {
...
d.heap = true
d.link = gp._defer
gp._defer = d
return d
}

具体的 newdefer 是在哪里调用的呢,如下:

func deferproc(siz int32, fn *funcval) { // arguments of fn follow fn
...
sp := getcallersp()
argp := uintptr(unsafe.Pointer(&fn)) + unsafe.Sizeof(fn)
callerpc := getcallerpc()
d := newdefer(siz)
...
}

非常明确,先前的版本中调用的 deferproc 方法,现在被用于对应分配到堆上的场景了。

小结

  • 可以确定的是 deferproc 并没有被去掉,而是流程被优化了。
  • Go 编译器会根据应用场景去选择使用 deferproc 还是 deferprocStack 方法,他们分别是针对分配在堆上和栈上的使用场景。

优化在哪儿

主要优化在于其 defer 对象的堆栈分配规则的改变,措施是:
编译器对 deferfor-loop 迭代深度进行分析。

// src/cmd/compile/internal/gc/esc.go
case ODEFER:
if e.loopdepth == 1 { // top level
n.Esc = EscNever // force stack allocation of defer record (see ssa.go)
break
}

如果 Go 编译器检测到循环深度(loopdepth)为 1,则设置逃逸分析的结果,将分配到栈上,否则分配到堆上。

// src/cmd/compile/internal/gc/ssa.go
case ODEFER:
d := callDefer
if n.Esc == EscNever {
d = callDeferStack
}
s.call(n.Left, d)

以此免去了以前频繁调用 systemstackmallocgc 等方法所带来的大量性能开销,来达到大部分场景提高性能的作用。

循环调用 defer

回到问题本身,知道了 defer 优化的原理后。那 “循环里搞 defer 关键字,是否会造成什么性能影响?”

最直接的影响就是这大约 30% 的性能优化直接全无,且由于姿势不正确,理论上 defer 既有的开销(链表变长)也变大,性能变差。

因此我们要避免以下两种场景的代码:

  • 显式循环:在调用 defer 关键字的外层有显式的循环调用,例如:for-loop 语句等。
  • 隐式循环:在调用 defer 关键字有类似循环嵌套的逻辑,例如:goto 语句等。

显式循环

第一个例子是直接在代码的 for 循环中使用 defer 关键字:

func main() {
for i := 0; i <= 99; i++ {
defer func() {
fmt.Println("脑子进煎鱼了")
}()
}
}

这个也是最常见的模式,无论是写爬虫时,又或是 Goroutine 调用时,不少人都喜欢这么写。

这属于显式的调用了循环。

隐式循环

第二个例子是在代码中使用类似 goto 关键字:

func main() {
i := 1
food:
defer func() {}()
if i == 1 {
i -= 1
goto food
}
}

这种写法比较少见,因为 goto 关键字有时候甚至会被列为代码规范不给使用,主要是会造成一些滥用,所以大多数就选择其实方式实现逻辑。

这属于隐式的调用,造成了类循环的作用。

总结

显然,Defer 在设计上并没有说做的特别的奇妙。他主要是根据实际的一些应用场景进行了优化,达到了较好的性能。

虽然本身 defer 会带一点点开销,但并没有想象中那么的不堪使用。除非你 defer 所在的代码是需要频繁执行的代码,才需要考虑去做优化。

否则没有必要过度纠结,在实际上,猜测或遇到性能问题时,看看 PProf 的分析,看看 defer 是不是在相应的 hot path 之中,再进行合理优化就好。

所谓的优化,可能也只是去掉 defer 而采用手动执行,并不复杂。在编码时避免踩到 defer 的显式和隐式循环这 2 个雷区就可以达到性能最大化了。

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