深入理解 Go panic and recover

深入理解 Go panic and recover

作为一个 gophper，我相信你对于 panic 和 recover 肯定不陌生，但是你有没有想过。当我们执行了这两条语句之后。底层到底发生了什么事呢？前几天和同事刚好聊到相关的话题，发现其实大家对这块理解还是比较模糊的。希望这篇文章能够从更深入的角度告诉你为什么，它到底做了什么事？

思考

一、为什么会中止运行

func main() {
    panic("EDDYCJY.")
}

输出结果：

$ go run main.go
panic: EDDYCJY.
goroutine 1 [running]:
main.main()
    /Users/eddycjy/go/src/github.com/EDDYCJY/awesomeProject/main.go:4 +0x39
exit status 2

请思考一下，为什么执行 panic 后会导致应用程序运行中止？（而不是单单说执行了 panic 所以就结束了这么含糊）

二、为什么不会中止运行

func main() {
    defer func() {
        if err := recover(); err != nil {
            log.Printf("recover: %v", err)
        }
    }()
    panic("EDDYCJY.")
}

输出结果：

$ go run main.go 
2019/05/11 23:39:47 recover: EDDYCJY.

请思考一下，为什么加上 defer + recover 组合就可以保护应用程序？

三、不设置 defer 行不

上面问题二是 defer + recover 组合，那我去掉 defer 是不是也可以呢？如下：

func main() {
    if err := recover(); err != nil {
        log.Printf("recover: %v", err)
    }
    panic("EDDYCJY.")
}

输出结果：

$ go run main.go
panic: EDDYCJY.
goroutine 1 [running]:
main.main()
    /Users/eddycjy/go/src/github.com/EDDYCJY/awesomeProject/main.go:10 +0xa1
exit status 2

竟然不行，啊呀毕竟入门教程都写的 defer + recover 组合 “万能” 捕获。但是为什么呢。去掉 defer 后为什么就无法捕获了？

请思考一下，为什么需要设置 defer 后 recover 才能起作用？

同时你还需要仔细想想，我们设置 defer + recover 组合后就能无忧无虑了吗，各种 “乱” 写了吗？

四、为什么起个 goroutine 就不行

func main() {
    go func() {
        defer func() {
            if err := recover(); err != nil {
                log.Printf("recover: %v", err)
            }
        }()
    }()
    panic("EDDYCJY.")
}

输出结果：

$ go run main.go 
panic: EDDYCJY.
goroutine 1 [running]:
main.main()
    /Users/eddycjy/go/src/github.com/EDDYCJY/awesomeProject/main.go:14 +0x51
exit status 2

请思考一下，为什么新起了一个 Goroutine 就无法捕获到异常了？到底发生了什么事…

源码

接下来我们将带着上述 4+1 个小思考题，开始对源码的剖析和分析，尝试从阅读源码中找到思考题的答案和更多为什么

数据结构

type _panic struct {
    argp      unsafe.Pointer
    arg       interface{} 
    link      *_panic 
    recovered bool
    aborted   bool 
}

在 panic 中是使用 _panic 作为其基础单元的，每执行一次 panic 语句，都会创建一个 _panic。它包含了一些基础的字段用于存储当前的 panic 调用情况，涉及的字段如下：

argp：指向 defer 延迟调用的参数的指针
arg：panic 的原因，也就是调用 panic 时传入的参数
link：指向上一个调用的 _panic
recovered：panic 是否已经被处理，也就是是否被 recover
aborted：panic 是否被中止

另外通过查看 link 字段，可得知其是一个链表的数据结构，如下图：

恐慌 panic

func main() {
    panic("EDDYCJY.")
}

输出结果：

$ go run main.go
panic: EDDYCJY.
goroutine 1 [running]:
main.main()
    /Users/eddycjy/go/src/github.com/EDDYCJY/awesomeProject/main.go:4 +0x39
exit status 2

我们去反查一下 panic 处理具体逻辑的地方在哪，如下：

$ go tool compile -S main.go
"".main STEXT size=66 args=0x0 locals=0x18
    0x0000 00000 (main.go:23)    TEXT    "".main(SB), ABIInternal, $24-0
    0x0000 00000 (main.go:23)    MOVQ    (TLS), CX
    0x0009 00009 (main.go:23)    CMPQ    SP, 16(CX)
    ...
    0x002f 00047 (main.go:24)    PCDATA    $2, $0
    0x002f 00047 (main.go:24)    MOVQ    AX, 8(SP)
    0x0034 00052 (main.go:24)    CALL    runtime.gopanic(SB)

显然汇编代码直指内部实现是 runtime.gopanic，我们一起来看看这个方法做了什么事，如下（省略了部分）：

func gopanic(e interface{}) {
    gp := getg()
    ...
    var p _panic
    p.arg = e
    p.link = gp._panic
    gp._panic = (*_panic)(noescape(unsafe.Pointer(&p)))
    for {
        d := gp._defer
        if d == nil {
            break
        }
        // defer...
        ...
        d._panic = (*_panic)(noescape(unsafe.Pointer(&p)))
        p.argp = unsafe.Pointer(getargp(0))
        reflectcall(nil, unsafe.Pointer(d.fn), deferArgs(d), uint32(d.siz), uint32(d.siz))
        p.argp = nil
        // recover...
        if p.recovered {
            ...
            mcall(recovery)
            throw("recovery failed") // mcall should not return
        }
    }
    preprintpanics(gp._panic)
    fatalpanic(gp._panic) // should not return
    *(*int)(nil) = 0      // not reached
}

获取指向当前 Goroutine 的指针
初始化一个 panic 的基本单位 _panic 用作后续的操作
获取当前 Goroutine 上挂载的 _defer（数据结构也是链表）
若当前存在 defer 调用，则调用 reflectcall 方法去执行先前 defer 中延迟执行的代码，若在执行过程中需要运行 recover 将会调用 gorecover 方法
结束前，使用 preprintpanics 方法打印出所涉及的 panic 消息
最后调用 fatalpanic 中止应用程序，实际是执行 exit(2) 进行最终退出行为的

通过对上述代码的执行分析，可得知 panic 方法实际上就是处理当前 Goroutine(g) 上所挂载的 ._panic 链表（所以无法对其他 Goroutine 的异常事件响应），然后对其所属的 defer 链表和 recover 进行检测并处理，最后调用退出命令中止应用程序

无法恢复的恐慌 fatalpanic

func fatalpanic(msgs *_panic) {
    pc := getcallerpc()
    sp := getcallersp()
    gp := getg()
    var docrash bool
    systemstack(func() {
        if startpanic_m() && msgs != nil {
            ...
            printpanics(msgs)
        }
        docrash = dopanic_m(gp, pc, sp)
    })
    systemstack(func() {
        exit(2)
    })
    *(*int)(nil) = 0
}

我们看到在异常处理的最后会执行该方法，似乎它承担了所有收尾工作。实际呢，它是在最后对程序执行 exit 指令来达到中止运行的作用，但在结束前它会通过 printpanics 递归输出所有的异常消息及参数。代码如下：

func printpanics(p *_panic) {
    if p.link != nil {
        printpanics(p.link)
        print("\t")
    }
    print("panic: ")
    printany(p.arg)
    if p.recovered {
        print(" [recovered]")
    }
    print("\n")
}

所以不要以为所有的异常都能够被 recover 到，实际上像 fatal error 和 runtime.throw 都是无法被 recover 到的，甚至是 oom 也是直接中止程序的，也有反手就给你来个 exit(2) 教做人。因此在写代码时你应该要相对注意些，“恐慌” 是存在无法恢复的场景的

恢复 recover

func main() {
    defer func() {
        if err := recover(); err != nil {
            log.Printf("recover: %v", err)
        }
    }()
    panic("EDDYCJY.")
}

输出结果：

$ go run main.go 
2019/05/11 23:39:47 recover: EDDYCJY.

和预期一致，成功捕获到了异常。但是 recover 是怎么恢复 panic 的呢？再看看汇编代码，如下：

$ go tool compile -S main.go
"".main STEXT size=110 args=0x0 locals=0x18
    0x0000 00000 (main.go:5)    TEXT    "".main(SB), ABIInternal, $24-0
    ...
    0x0024 00036 (main.go:6)    LEAQ    "".main.func1·f(SB), AX
    0x002b 00043 (main.go:6)    PCDATA    $2, $0
    0x002b 00043 (main.go:6)    MOVQ    AX, 8(SP)
    0x0030 00048 (main.go:6)    CALL    runtime.deferproc(SB)
    ...
    0x0050 00080 (main.go:12)    CALL    runtime.gopanic(SB)
    0x0055 00085 (main.go:12)    UNDEF
    0x0057 00087 (main.go:6)    XCHGL    AX, AX
    0x0058 00088 (main.go:6)    CALL    runtime.deferreturn(SB)
    ...
    0x0022 00034 (main.go:7)    MOVQ    AX, (SP)
    0x0026 00038 (main.go:7)    CALL    runtime.gorecover(SB)
    0x002b 00043 (main.go:7)    PCDATA    $2, $1
    0x002b 00043 (main.go:7)    MOVQ    16(SP), AX
    0x0030 00048 (main.go:7)    MOVQ    8(SP), CX
    ...
    0x0056 00086 (main.go:8)    LEAQ    go.string."recover: %v"(SB), AX
    ...
    0x0086 00134 (main.go:8)    CALL    log.Printf(SB)
    ...

通过分析底层调用，可得知主要是如下几个方法：

runtime.deferproc
runtime.gopanic
runtime.deferreturn
runtime.gorecover

在上小节中，我们讲述了简单的流程，gopanic 方法会调用当前 Goroutine 下的 defer 链表，若 reflectcall 执行中遇到 recover 就会调用 gorecover 进行处理，该方法代码如下：

func gorecover(argp uintptr) interface{} {
    gp := getg()
    p := gp._panic
    if p != nil && !p.recovered && argp == uintptr(p.argp) {
        p.recovered = true
        return p.arg
    }
    return nil
}

这代码，看上去挺简单的，核心就是修改 recovered 字段。该字段是用于标识当前 panic 是否已经被 recover 处理。但是这和我们想象的并不一样啊，程序是怎么从 panic 流转回去的呢？是不是在核心方法里处理了呢？我们再看看 gopanic 的代码，如下：

func gopanic(e interface{}) {
    ...
    for {
        // defer...
        ...
        pc := d.pc
        sp := unsafe.Pointer(d.sp) // must be pointer so it gets adjusted during stack copy
        freedefer(d)
        // recover...
        if p.recovered {
            atomic.Xadd(&runningPanicDefers, -1)
            gp._panic = p.link
            for gp._panic != nil && gp._panic.aborted {
                gp._panic = gp._panic.link
            }
            if gp._panic == nil { 
                gp.sig = 0
            }
            gp.sigcode0 = uintptr(sp)
            gp.sigcode1 = pc
            mcall(recovery)
            throw("recovery failed") 
        }
    }
    ...
}

我们回到 gopanic 方法中再仔细看看，发现实际上是包含对 recover 流转的处理代码的。恢复流程如下：

判断当前 _panic 中的 recover 是否已标注为处理
从 _panic 链表中删除已标注中止的 panic 事件，也就是删除已经被恢复的 panic 事件
将相关需要恢复的栈帧信息传递给 recovery 方法的 gp 参数（每个栈帧对应着一个未运行完的函数。栈帧中保存了该函数的返回地址和局部变量）
执行 recovery 进行恢复动作

从流程来看，最核心的是 recovery 方法。它承担了异常流转控制的职责。代码如下：

func recovery(gp *g) {
    sp := gp.sigcode0
    pc := gp.sigcode1
    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")
    }
    gp.sched.sp = sp
    gp.sched.pc = pc
    gp.sched.lr = 0
    gp.sched.ret = 1
    gogo(&gp.sched)
}

粗略一看，似乎就是很简单的设置了一些值？但实际上设置的是编译器中伪寄存器的值，常常被用于维护上下文等。在这里我们需要结合 gopanic 方法一同观察 recovery 方法。它所使用的栈指针 sp 和程序计数器 pc 是由当前 defer 在调用流程中的 deferproc 传递下来的，因此实际上最后是通过 gogo 方法跳回了 deferproc 方法。另外我们注意到：

gp.sched.ret = 1

在底层中程序将 gp.sched.ret 设置为了 1，也就是没有实际调用 deferproc 方法，直接修改了其返回值。意味着默认它已经处理完成。直接转移到 deferproc 方法的下一条指令去。至此为止，异常状态的流转控制就已经结束了。接下来就是继续走 defer 的流程了

为了验证这个想法，我们可以看一下核心的跳转方法 gogo ，代码如下：

// void gogo(Gobuf*)
// restore state from Gobuf; longjmp
TEXT runtime·gogo(SB),NOSPLIT,$8-4
    MOVW    buf+0(FP), R1
    MOVW    gobuf_g(R1), R0
    BL    setg<>(SB)
    MOVW    gobuf_sp(R1), R13    // restore SP==R13
    MOVW    gobuf_lr(R1), LR
    MOVW    gobuf_ret(R1), R0
    MOVW    gobuf_ctxt(R1), R7
    MOVW    $0, R11
    MOVW    R11, gobuf_sp(R1)    // clear to help garbage collector
    MOVW    R11, gobuf_ret(R1)
    MOVW    R11, gobuf_lr(R1)
    MOVW    R11, gobuf_ctxt(R1)
    MOVW    gobuf_pc(R1), R11
    CMP    R11, R11 // set condition codes for == test, needed by stack split
    B    (R11)

通过查看代码可得知其主要作用是从 Gobuf 恢复状态。简单来讲就是将寄存器的值修改为对应 Goroutine(g) 的值，而在文中讲了很多次的 Gobuf，如下：

type gobuf struct {
    sp   uintptr
    pc   uintptr
    g    guintptr
    ctxt unsafe.Pointer
    ret  sys.Uintreg
    lr   uintptr
    bp   uintptr
}

讲道理，其实它存储的就是 Goroutine 切换上下文时所需要的一些东西

拓展

const(
    OPANIC       // panic(Left)
    ORECOVER     // recover()
    ...
)
...
func walkexpr(n *Node, init *Nodes) *Node {
    ...
    switch n.Op {
    default:
        Dump("walk", n)
        Fatalf("walkexpr: switch 1 unknown op %+S", n)
    case ONONAME, OINDREGSP, OEMPTY, OGETG:
    case OTYPE, ONAME, OLITERAL:
        ...
    case OPANIC:
        n = mkcall("gopanic", nil, init, n.Left)
    case ORECOVER:
        n = mkcall("gorecover", n.Type, init, nod(OADDR, nodfp, nil))
    ...
}

实际上在调用 panic 和 recover 关键字时，是在编译阶段先转换为相应的 OPCODE 后，再由编译器转换为对应的运行时方法。并不是你所想像那样一步到位，有兴趣的小伙伴可以研究一下

总结

本文主要针对 panic 和 recover 关键字进行了深入源码的剖析，而开头的 4+1 个思考题，就是希望您能够带着疑问去学习，达到事半功倍的功效

另外本文和 defer 有一定的关联性，因此需要有一定的基础知识。若刚刚看的时候这部分不理解，学习后可以再读一遍加深印象

在最后，现在的你可以回答这几个思考题了吗？说出来了才是真的懂：）