Go1.13 defer 的性能是如何提高的
最近 Go1.13 终于发布了，其中一个值得关注的特性就是 defer 在大部分的场景下性能提升了30%，但是官方并没有具体写是怎么提升的，这让大家非常的疑惑。而我因为之前写过《深入理解 Go defer》 和 《Go defer 会有性能损耗，尽量不要用？》 这类文章，因此我挺感兴趣它是做了什么改变才能得到这样子的结果，所以今天和大家一起探索其中奥妙。
一、测试
Go1.12
$ go test -bench=. -benchmem -run=none
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: github.com/EDDYCJY/awesomeDefer
BenchmarkDoDefer-4 20000000 91.4 ns/op 48 B/op 1 allocs/op
BenchmarkDoNotDefer-4 30000000 41.6 ns/op 48 B/op 1 allocs/op
PASS
ok github.com/EDDYCJY/awesomeDefer 3.234s
Go1.13
$ go test -bench=. -benchmem -run=none
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: github.com/EDDYCJY/awesomeDefer
BenchmarkDoDefer-4 15986062 74.7 ns/op 48 B/op 1 allocs/op
BenchmarkDoNotDefer-4 29231842 40.3 ns/op 48 B/op 1 allocs/op
PASS
ok github.com/EDDYCJY/awesomeDefer 3.444s
在开场，我先以不标准的测试基准验证了先前的测试用例，确确实实在这两个版本中，defer 的性能得到了提高，但是看上去似乎不是百分百提高 30 %。
二、看一下
之前（Go1.12）
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
现在（Go1.13）
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 runtime.deferproc 改成了 runtime.deferprocStack 调用，难道是做了什么优化，我们抱着疑问继续看下去。
三、观察源码
_defer
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
...
相较于以前的版本，最小单元的 _defer 结构体主要是新增了 heap 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。
那这个 deferprocStack 特殊在哪呢，我们可以看到它把 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
那么问题来了，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
}
那么 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
- 第一点：可以确定的是
deferproc并没有被去掉，而是流程被优化了。 - 第二点：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。
四、编译器如何选择
esc
// 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
}
ssa
// src/cmd/compile/internal/gc/ssa.go
case ODEFER:
d := callDefer
if n.Esc == EscNever {
d = callDeferStack
}
s.call(n.Left, d)
小结
这块结合来看，核心就是当 e.loopdepth == 1 时，会将逃逸分析结果 n.Esc 设置为 EscNever，也就是将 _defer 分配到栈上，那这个 e.loopdepth 到底又是何方神圣呢，我们再详细看看代码，如下：
// src/cmd/compile/internal/gc/esc.go
type NodeEscState struct {
Curfn *Node
Flowsrc []EscStep
Retval Nodes
Loopdepth int32
Level Level
Walkgen uint32
Maxextraloopdepth int32
}
这里重点查看 Loopdepth 字段，目前它共有三个值标识，分别是:
- -1：全局。
- 0：返回变量。
- 1：顶级函数，又或是内部函数的不断增长值。
这个读起来有点绕，结合我们上述 e.loopdepth == 1 的表述来看，也就是当 defer func 是顶级函数时，将会分配到栈上。但是若在 defer func 外层出现显式的迭代循环，又或是出现隐式迭代，将会分配到堆上。其实深层表示的还是迭代深度的意思，我们可以来证实一下刚刚说的方向，显式迭代的代码如下：
func main() {
for p := 0; p < 10; p++ {
defer func() {
for i := 0; i < 20; i++ {
log.Println("EDDYCJY")
}
}()
}
}
查看汇编情况：
$ go tool compile -S main.go
"".main STEXT size=122 args=0x0 locals=0x20
0x0000 00000 (main.go:15) TEXT "".main(SB), ABIInternal, $32-0
...
0x0048 00072 (main.go:17) CALL runtime.deferproc(SB)
0x004d 00077 (main.go:17) TESTL AX, AX
0x004f 00079 (main.go:17) JNE 83
0x0051 00081 (main.go:17) JMP 33
0x0053 00083 (main.go:17) XCHGL AX, AX
0x0054 00084 (main.go:17) CALL runtime.deferreturn(SB)
...
显然，最终 defer 调用的是 runtime.deferproc 方法，也就是分配到堆上了，没毛病。而隐式迭代的话，你可以借助 goto 语句去实现这个功能，再自己验证一遍，这里就不再赘述了。
总结
从分析的结果上来看，官方说明的 Go1.13 defer 性能提高 30%，主要来源于其延迟对象的堆栈分配规则的改变，措施是由编译器通过对 defer 的 for-loop 迭代深度进行分析，如果 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。
的确，我个人觉得对大部分的使用场景来讲，是优化了不少，也解决了一些人吐槽 defer 性能 “差” 的问题。另外，我想从 Go1.13 起，你也需要稍微了解一下它这块的机制，别随随便便就来个狂野版嵌套迭代 defer，可能没法效能最大化。
如果你还想了解更多细节，可以看看 defer 这块的的提交内容，官方的测试用例也包含在里面。
