Golang中panic与recover的实现原理

10/26 11:47
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今天我们讲讲golang中panic异常,以及recover对异常的捕获,由于panic、recover、defer之间非常亲密,所以今天就放在一起讲解,这里会涉及到一些defer的知识,有兴趣可以看我的另一篇关于defer的文章 Golang中defer的实现原理.

Panic异常

Go的类型系统会在编译时捕获很多错误,但有些错误只能在运行时检查,如数组访问越界、 空指针引用等。这些运行时错误会引起painc异常。
一般而言,当panic异常发生时,程序会中断运行,并立即执行在该goroutine中被延迟的函数(defer 机制)。随后,程序崩溃并输出日志信息。
不是所有的panic异常都来自运行时,直接调用内置的panic函数也会引发panic异常
接下来,我们通过其汇编码尝试找出内置函数panic()的底层实现。


注意:我会把源码中每个方法的作用都注释出来,可以参考注释进行理解。

先编写一段简单的代码,并保存在panic.go文件中

func main() {
   
   
	panic("err")
}

然后使用以下命令编译代码:

go tool compile -S panic.go
 		0x0024 00036 (panic.go:10)      PCDATA  $2, $1
        0x0024 00036 (panic.go:10)      PCDATA  $0, $0
        0x0024 00036 (panic.go:10)      LEAQ    type.string(SB), AX
        0x002b 00043 (panic.go:10)      PCDATA  $2, $0
        0x002b 00043 (panic.go:10)      MOVQ    AX, (SP)
        0x002f 00047 (panic.go:10)      PCDATA  $2, $1
        0x002f 00047 (panic.go:10)      LEAQ    "".statictmp_0(SB), AX
        0x0036 00054 (panic.go:10)      PCDATA  $2, $0
        0x0036 00054 (panic.go:10)      MOVQ    AX, 8(SP)
        0x003b 00059 (panic.go:10)      CALL    runtime.gopanic(SB)

我们可以看到panic()函数调用被替换成了runtime.gopanic()函数
看函数之前,我们先来看一下panic的结构体

runtime\runtime2.go:_panic

type _panic struct {
   
   
	argp      unsafe.Pointer // 指向在panic下运行的defer的参数的指针
	arg       interface{
   
   }    // panic的参数
	link      *_panic        // 链接到更早的panic,新panic添加到表头
	recovered bool           // 该panic是否被recover
	aborted   bool           // 该panic是否强制退出
}

接着,我们再来分析runtime.gopanic()函数

runtime\panic.go

func gopanic(e interface{
   
   }) {
   
   
	//获取当前goroutine
	gp := getg()
	...
	//生成一个新的panic结构
	var p _panic
	p.arg = e
	//指向更早的panic
	p.link = gp._panic
	//绑定到goroutine
	gp._panic = (*_panic)(noescape(unsafe.Pointer(&p)))

	atomic.Xadd(&runningPanicDefers, 1)

	//循环goroutine中的defer链表
	for {
   
   
		d := gp._defer
		if d == nil {
   
   
			break
		}
		//如果defer已经被调用
		//如果该defer已经由较早的panic或者Goexit使用(表示引发了新的panic)
		//则从链表中去除这个panic,之前的panic或Goexit将不会继续运行。
		if d.started {
   
   
			if d._panic != nil {
   
   
				d._panic.aborted = true
			}
			d._panic = nil
			d.fn = nil
			gp._defer = d.link
			//释放该defer
			freedefer(d)
			//跳过循环,继续下一个defer
			continue
		}
		// 将defer标记已调用,但保留在列表中
		//这样 traceback 在栈增长或者 GC 的时候,能够找到并更新 defer 的参数栈帧
        // 并用 reflectcall 执行 d.fn
		d.started = true
		//记录在 defer 中发生的 panic
		//如果在 defer 的函数调用过程中又发生了新的 panic,那个 panic 会在链表中找到 d
        // 然后标记 d._panic(指向当前的 panic) 为 aborted 状态。
		d._panic = (*_panic)(noescape(unsafe.Pointer(&p)))

		p.argp = unsafe.Pointer(getargp(0))
		//执行defer后面的fn,如果有recover()函数会执行recover
		reflectcall(nil, unsafe.Pointer(d.fn), deferArgs(d), uint32(d.siz), uint32(d.siz))
		p.argp = nil

		// reflectcall 并没有 panic,移除 d
		if gp._defer != d {
   
   
			throw("bad defer entry in panic")
		}
		//清空defer
		d._panic = nil
		d.fn = nil
		//下一个defer
		gp._defer = d.link

		// trigger shrinkage to test stack copy. See stack_test.go:TestStackPanic
		//GC()
		
		//defer语句下一条语句的地址
		pc := d.pc
		//获取rsp寄存器的值的指针
		//必须是指针,以便在堆栈复制期间进行调整
		sp := unsafe.Pointer(d.sp) 
		//释放defer
		freedefer(d)
		//如果panic被recover
		//会在gorecove 函数中已经修改为 true ,等会我们在讲
		if p.recovered {
   
   
			//统计
			atomic.Xadd(&runningPanicDefers, -1)
			
			//下一个panic
			gp._panic = p.link
			// 已标记已中止的panic,q且保留在g.panic列表中。
			//从列表中删除它们。
			for gp._panic != nil && gp._panic.aborted {
   
   
				gp._panic = gp._panic.link
			}
			//处理完所有panic
			if gp._panic == nil {
   
    // 必须用信号完成
				gp.sig = 0
			}
			// Pass information about recovering frame to recovery.
			//将有关恢复帧的信息传递给recovery函数
			//通过之前传入的 sp 和 pc 恢复
			gp.sigcode0 = uintptr(sp)
			gp.sigcode1 = pc
			mcall(recovery)
			throw("recovery failed") // mcall should not return
		}
	}

	// ran out of deferred calls - old-school panic now
	// Because it is unsafe to call arbitrary user code after freezing
	// the world, we call preprintpanics to invoke all necessary Error
	// and String methods to prepare the panic strings before startpanic.
	preprintpanics(gp._panic)
	
	//致命错误,终止程序
	fatalpanic(gp._panic) // should not return
	*(*int)(nil) = 0      // not reached
}

接着,我们再来看看它是如何通过recovery函数回复的

func recovery(gp *g) {
   
   
	// Info about defer passed in G struct.
	sp := gp.sigcode0
	pc := gp.sigcode1

	// d's arguments need to be in the stack.
	if sp != 0 && (sp < gp.stack.lo || gp.stack.hi < sp) {
   
   
		print("recover: ", hex(sp), " not in [", hex(gp.stack.lo), ", ", hex(gp.stack.hi), "]\n")
		throw("bad recovery")
	}
	//让这个 defer 结构体的 deferproc 位置的调用重新返回
    // 这次将返回值修改为 1
	gp.sched.sp = sp
	gp.sched.pc = pc
	gp.sched.lr = 0
	gp.sched.ret = 1
	//直接跳回到deferreturn那里去
	gogo(&gp.sched)
}

我们再来总结一下整个流程:

  1. 先创建一个_panic结构体,加载到链表的表头
  2. 遍历当前goroutine的defer链表,
    • 如果defer被标记为已调用,跳出当前循环,进入下一个defer;
    • 否则,将当前defer标记为已调用,同时执行defer后面的函数,如果有recover,则会通过之前创建defer时传进来的deferproc 的下一条汇编指令的地址(pc),以及函数调用栈栈顶的位置(sp)返回到deferreturn的位置上去,否则,直接退出程序

Recover捕获异常

通常来说,不应该对panic异常做任何处理,但有时,也许我们可以从异常中恢复,至少我们 可以在程序崩溃前,做一些操作。比如说:当web服务器遇到不可预料的严重问题时,在崩溃前应该将所有的连接关闭,服务器甚至可以将异常信息反馈到客户端,帮助调试。
如果在defer函数中调用了内置函数recover,并且定义该defer语句的函数发生了panic异常,recover会使程序从panic中恢复,并返回panic value。导致panic异常的函数不会继续运行,但能正常返回。在未发生panic时调用recover,recover会返回nil。

recover函数的使用

1.recover必须与defer配合使用
func main() {
   
   
	defer func() {
   
   
			recover()
			 }()
	panic("err")
}

类似于下面这种情况是不可以的:

func main() {
   
   
	recover()
	panic("触发异常")

}

在这里插入图片描述

2.必须在defer函数中直接调用recover,不能进行封装或者嵌套
func main() {
   
   
	defer func() {
   
   
		if r := MyRecover(); r != nil {
   
   
			fmt.Println(r)
		}
	}()
	panic("err")
}
func MyRecover() interface{
   
   } {
   
   
	fmt.Println("recover")
	return recover()
}

在这里插入图片描述
同样,在defer中嵌套也不可以

func main() {
   
   
	defer func() {
   
   
		defer func() {
   
   
			if r := recover(); r != nil {
   
   
				fmt.Println(r)
			}
		}()
	}()
	panic("err")
}

如果我们直接在 defer 语句中调用 MyRecover 函数又可以正常工作了:

func main() {
   
   
	//正常捕获
	defer MyRecover()
	panic("err")
}
func MyRecover() interface{
   
   } {
   
   
	fmt.Println("recover")
	return recover()
}

但是,如果 defer 语句直接调用 recover 函数,依然不能正常捕获异常:

func main() {
   
    
	// 无法捕获异常
	defer recover()
	panic("err")
}

必须要和有异常的栈帧只隔一个栈帧, recover 函数才能正常捕获异常。换言之, recover 函数捕获的是祖父一级调用函数栈帧的异常(刚好可以跨越一层 defer 函数)!

同时,为了避免不加区分的panic被恢复,可能导致系统漏洞的问题,最安全的做饭,就是对不同的错误类型分别处理

recover函数的原理

接下来,我们通过底层源码来看看它是如何做到这些限制的:

runtime\panic.go

func gorecover(argp uintptr) interface{
   
   } {
   
   
	
	gp := getg()
	p := gp._panic
	//必须存在panic
	//非runtime.Goexit();
	//panic还未被恢复
	//argp == uintptr(p.argp)
	//p.argp是最顶层的延迟函数调用的参数指针,argp是调用recover函数的参数地址,通常是defer函数的参数地址
	//如果两者相等,说明可以被恢复,这也是为什么recover必须跟在defer后面且recover 函数捕获的是祖父一级调用函数栈帧的异常的原因
	if p != nil && !p.goexit && !p.recovered && argp == uintptr(p.argp) {
   
   
		//将recovered 标志改为true
		p.recovered = true
		return p.arg
	}
	return nil
}

gorecover函数比较简单,就是将recovered设为true,说明已经defer后面的函数包含recover

总结

  • recover函数在defer函数中
  • recover函数被defer函数直接调用
  • 如果包含多个defer函数,前面的defer通过recover()消除panic后,函数中剩余的defer仍然会执行,但不能再次recover()
  • 连续调用panic,仅最后一个会被recover捕获

参考

  1. Go语言圣经.
  2. Go语言高级编程.
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go
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