深入剖析 defer 原理篇 —— 函數(shù)調(diào)用的原理？
大綱
地址空間
函數(shù)棧幀
棧幀的劃定
函數(shù)調(diào)用
函數(shù)返回
舉個例子
總結(jié)
本篇文章是深入剖析 golang 的 defer 的基礎(chǔ)知識準備，如果要完全理解 defer ，避免踩坑，這個章節(jié)的基礎(chǔ)知識必不可少。我們先復習一個最基礎(chǔ)的知識 —— 函數(shù)調(diào)用。這個對理解 defer 在函數(shù)里的行為必不可少。那么，當你看到一個函數(shù)調(diào)用的語句你能回憶起多少知識點呢？
地址空間
下圖是一個典型的操作系統(tǒng)的地址空間示意圖：
最重要的幾點：
內(nèi)核棧在高地址，用戶棧在低地址。如果是 32 位操作系統(tǒng)，那么最經(jīng)典的就是，用戶棧區(qū)域為 [0, 3G]，內(nèi)核棧區(qū)域為?[3G, 4G]； 棧空間分配是從高地址往下分配的（所以我們經(jīng)常看到棧分配空間，是通過減 rsp 的值來實現(xiàn)就是這個道理）； 堆空間分配是從低地址往上分配的；
函數(shù)棧幀
函數(shù)調(diào)用執(zhí)行的時候，需要分配空間存儲數(shù)據(jù)，比如函數(shù)的參數(shù)，函數(shù)內(nèi)局部變量，寄存器的值(用于上下文切換)。這些數(shù)據(jù)都需要保存在一個地方，這個地方就是棧空間上。因為這些數(shù)據(jù)的聲明周期是和函數(shù)一體的，函數(shù)執(zhí)行的時候存在，函數(shù)執(zhí)行完立馬就可以銷毀。和堆空間不同，堆上用來分配聲明周期由程序員控制的對象。棧的使用規(guī)劃負責人是編譯器，堆空間的使用規(guī)劃負責人是程序員（在有垃圾回收的語言里，堆空間的使用由語言層面支持）。
當函數(shù)調(diào)用的時候，對應產(chǎn)生一個棧幀（stack frame），函數(shù)結(jié)束的時候，釋放棧幀。棧幀主要用來保存：
函數(shù)參數(shù) 局部變量 返回值 寄存器的值（上下文切換）
函數(shù)在執(zhí)行過程中使用一塊棧內(nèi)存來保存上述這些值。當發(fā)生函數(shù)調(diào)用時，因為 caller 還沒執(zhí)行完，caller 的棧幀中保存的數(shù)據(jù)還有用，所以 callee 函數(shù)執(zhí)行的時候不能覆蓋 caller 的棧幀，這種情況需要分配一個 callee 的棧幀。
棧空間的使用方式由編譯器管理，在編譯期間就確定。棧的大小就會隨函數(shù)調(diào)用層級的增加而向低地址增加，隨函數(shù)的返回而縮小，調(diào)用層級越深，消耗的棧空間就越大。所以，在遞歸函數(shù)的場景，經(jīng)常見到有些遞歸太深的函數(shù)會報錯，被操作系統(tǒng)直接拒絕，就是因為考慮到這個棧空間使用的合理性，我們對棧的深度有限制。
棧幀的劃定
有兩個寄存器的值來劃定一個函數(shù)棧幀：
rsp ：棧寄存器，指向當前棧頂位置； rbp ：棧幀寄存器，指向函數(shù)棧幀的起始位置；
所以，我們可以認為在一個函數(shù)執(zhí)行的時候，rsp, rbp 這兩個寄存器指向的區(qū)域就是當前函數(shù)的一個棧幀。在 golang 的一個函數(shù)的代碼里，開頭會先保存 rbp 寄存器的值，保存到棧上，函數(shù)執(zhí)行完之后，需要返回 caller 函數(shù)之前，需要恢復 rbp 寄存器。
舉個例子：
func?C(c?int)?(r?int)?{
?c1?:=?c?+?3
?return?c1
}
匯編出來的指令如下，用 dlv 調(diào)試看下：
????15:?func?C(c?int)?(r?int)?{
????16:?????c1?:=?c?+?3
=>??17:?????return?c1
????18:?}
????
(dlv)?disassemble
TEXT?main.C(SB)
????//?分配棧空間
????test_call.go:15?????0x1056fe0???4883ec10????????sub?rsp,?0x10
????//?保存上一個函數(shù)的棧基地址
????test_call.go:15?????0x1056fe4???48896c2408??????mov?qword?ptr?[rsp+0x8],?rbp
????//?rbp?指向當前的棧基
????test_call.go:15?????0x1056fe9???488d6c2408??????lea?rbp,?ptr?[rsp+0x8]
????test_call.go:15?????0x1056fee???48c744242000000000??mov?qword?ptr?[rsp+0x20],?0x0
????//?執(zhí)行?a?+?3
????test_call.go:16?????0x1056ff7???488b442418??????mov?rax,?qword?ptr?[rsp+0x18]
????test_call.go:16?????0x1056ffc???4883c003????????add?rax,?0x3
????//?保存到?c1?變量
????test_call.go:16?????0x1057000???48890424????????mov?qword?ptr?[rsp],?rax
????//?保存到返回值到棧變量
=>??test_call.go:17?????0x1057004???4889442420??????mov?qword?ptr?[rsp+0x20],?rax
????//?恢復?rbp?值（指向上一個函數(shù)的棧基）
????test_call.go:17?????0x1057009???488b6c2408??????mov?rbp,?qword?ptr?[rsp+0x8]
????//?回收棧空間
????:1???0x105700e???4883c410????????add?rsp,?0x10
????//?返回調(diào)用函數(shù)
????:1???0x1057012???c3??????????ret
dlv 調(diào)試到這個 C 函數(shù)的時候，rsp 和 rbp 寄存器的值分別是 0x000000c00002e6f8，0x000000c00002e700，相隔 8 個字節(jié)，所以可以說這個函數(shù)的棧幀就只有 8 個字節(jié)，不過有上面有 16 個字節(jié)要注意，就是 caller 函數(shù) rbp 的保存值和 caller 下一行要執(zhí)行的指令地址。另外要提一點的是，rbp 這個寄存器其實就函數(shù)執(zhí)行的功能上來說，并不需要，rbp 基本上就是給用來調(diào)試的，標明一個個棧幀，這樣 gdb 或者 dlv 執(zhí)行 bt 命令的時候，就能看到堆棧了。
函數(shù)調(diào)用
函數(shù)調(diào)用在 golang 里面非常簡單，比如 b1 := C(b) 就是一個函數(shù)調(diào)用，執(zhí)行函數(shù) C ，傳入的實參是變量 b ，返回值存入局部變量 b1，對應的匯編指令是 call 。這個語句經(jīng)過編譯器的翻譯，如下：
//?傳入?yún)?shù)
test_call.go:10??0x1056faf?4889442428??mov?qword?ptr?[rsp+0x28],?rax
test_call.go:11??0x1056fb4?48890424??mov?qword?ptr?[rsp],?rax
//?跳轉(zhuǎn)到函數(shù)?C?執(zhí)行指令
test_call.go:11??0x1056fb8?e823000000??call?$main.C
這里我們注意到，一個簡單的 b1 := C(b) 會翻譯成多條匯編語句，通過匯編語句我們看到一行函數(shù)調(diào)用主要做兩件事情：
設置函數(shù)參數(shù)； 執(zhí)行 call指令；
函數(shù)調(diào)用最重要的就是 call 指令。call 指令是一條基礎(chǔ)的匯編指令，做兩件事情：
把當前所在函數(shù)（caller）的下一行指令壓棧； 會導致棧頂往下增長 8 字節(jié) 跳轉(zhuǎn)到 C 函數(shù)指令執(zhí)行（pc 的值切換成 C 的入口指令）
什么意思？舉個例子，假如 b1 := C(b) 下一行的命令是 a :=1 ，如下：
b1?:=?C(b)
a?:=?1
調(diào)用 call $main.C 的時候，就先把 a := 1 這行語句對應的代碼地址保存到棧上，然后 pc 寄存器加載函數(shù) C 的入口指令。
進入函數(shù)里面，第一件做的事情就是保存 rbp 的值，后面從函數(shù)中退出的時候，用于恢復上下文。
函數(shù)返回
golang 語言層面函數(shù)返回對應了 return 關(guān)鍵字，這個有必要深入理解下。函數(shù) C 的語句如下：
func?C(c?int)?(r?int)?{
?c1?:=?c?+?3
?return?c1
}
和函數(shù)調(diào)用一樣，函數(shù)返回（return）的調(diào)用也是多個步驟的。看起來就調(diào)用了一行 return c1，但其實這一行語句包含了多行指令：
設置返回值（函數(shù)調(diào)用是 b1 := C(b)，這里說的設置返回值也就是設置 b1）；所以，設置返回值是在 callee 函數(shù)里； 執(zhí)行 ret指令
函數(shù)返回最重要的就是 ret 指令了，這個指令和 call 是配套的，動作是相反的，匯編指令 ret 主要做兩件事情：
從當前棧頂處取出 [$rsp] 的值，恢復到 pc 寄存器，跳轉(zhuǎn)到這個地址準備執(zhí)行命令; 彈棧，棧頂往上縮減 8 字節(jié)
回想上面說的函數(shù)調(diào)用時候 call 時候的壓棧，ret 取出來的地址就是 a :=1 指令，這樣就剛好對上了，函數(shù) C 調(diào)用完回到原函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行下一行命令。
舉個例子
了解完基礎(chǔ)知識，我們以下面的例子，分析一下這個函數(shù)棧，復習一下：
package?main
func?A(a?int)?int?{
?a?=?a?+?1
?a1?:=?B(a)
?return?a1
}
func?B(b?int)?int?{
?b?=?b?+?2
?b1?:=?C(b)
?return?b1
}
func?C(c?int)?(r?int)?{
?c1?:=?c?+?3
?return?c1
}
func?main()?{
?a?:=?A(7)
?_?=?a
}
函數(shù)棧幀如下：
這個地方的棧幀區(qū)域標注都是以 rsp，rpb 寄存器界定的，所以每個棧幀中間有 16 個字節(jié)的間隔，分別是函數(shù)壓棧的地址，還有 rbp 的保存值。
總結(jié)
go 的一行函數(shù)調(diào)用語句其實非原子操作，對應多行匯編指令，包括 1）參數(shù)設置，2） call指令執(zhí)行；其中 call匯編指令的內(nèi)容也有兩個：返回地址壓棧（會導致 rsp 值往下增長，rsp-0x8），callee 函數(shù)地址加載到 pc 寄存器；go 的一行函數(shù)返回 return語句其實也非原子操作，對應多行匯編指令，包括 1）返回值設置 和 2） ret指令執(zhí)行；其中 ret 匯編指令的內(nèi)容是兩個，指令pc 寄存器恢復為 rsp 棧頂保存的地址，rsp 往上縮減，rsp+0x8； 參數(shù)設置在 caller 函數(shù)里，返回值設置在 callee 函數(shù)里； rsp, rbp 兩個寄存器是棧幀的最重要的兩個寄存器，這兩個值劃定了棧幀； rbp 寄存器的常見的作用棧基寄存器，但其實再深入了解下你會知道 rbp 在當今體系里其實可以作為通用寄存器了。而最常見的用來用棧基寄存器還是為了調(diào)試，比較方便的劃定棧幀；
思考
為什么深入理解 defer 需要先深入理解函數(shù)調(diào)用呢？
因為，這個關(guān)系到 defer 最本質(zhì)的語義：defer 是在函數(shù)調(diào)用返回的時候執(zhí)行的。那么這個執(zhí)行時機到底是什么樣子的？是先設置返回值，還是先執(zhí)行 defer 函數(shù)呢？
比如下面的例子：
func?f1?()?(r?int)?{
?t?:=?1
?defer?func()?{
??t?=?t?+5
?}()
?return?t
}
func?f2()?(r?int)?{
?defer?func(r?int)?{
??r?=?r?+?5
?}(r)
?return?1
}
func?f3()?(r?int)?{
?defer?func?()?{
??r?=?r?+?5
?}?()
?return?1
}
這三個函數(shù)的返回值分別是多少？可以思考下。
答案：f1() -> 1，f2() -> 1，f3() -> 6 。
你全對了嗎？如果心有疑問，我們在下一次的 defer 原理分享里展開進一步的剖析。
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