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Go源码阅读避雷指南:5个看似合理实则致命的假设(如“所有chan操作都加锁”已被runtime.chansend源码证伪)

第一章:Go源码阅读避雷指南:5个看似合理实则致命的假设

初读 Go 源码时,开发者常凭经验构建心智模型——这些直觉在其他语言中或许成立,但在 Go 的运行时、编译器与标准库协同设计下,却可能引发严重误判。以下五个假设,表面合理,实则会导向错误的调试路径、无效的性能优化,甚至对并发语义的根本性误解。

假设 goroutine 是轻量级线程,可无限制创建

Go 的 goroutine 虽开销小(初始栈仅 2KB),但并非无成本:每个 goroutine 占用堆内存、需调度器管理、触发 GC 扫描。runtime.GOMAXPROCS(1) 下大量阻塞 goroutine 仍会导致调度器饥饿;而 GODEBUG=schedtrace=1000 可实时观测调度延迟飙升。验证方式:

GODEBUG=schedtrace=1000 go run -gcflags="-l" main.go 2>&1 | grep "sched" | head -10

输出中若 schedwait 持续 >1ms,即表明调度已成瓶颈。

假设 sync.Mutex 加锁后立即获得 CPU 时间片

Mutex 不保证唤醒顺序,且 Go 调度器可能在解锁后将 goroutine 置入本地队列而非立即抢占。极端场景下,低优先级 goroutine 可能被高优先级者持续“饿死”。可通过 go tool trace 分析:

go run -trace=trace.out main.go && go tool trace trace.out

在 Web UI 中查看 SynchronizationMutex 事件,观察等待时间分布是否长尾。

假设 defer 语句在函数返回前才执行,因此无性能影响

defer 编译为 runtime.deferproc 调用,每次调用需分配 defer 记录并链入函数帧。高频 defer(如循环内)显著增加 GC 压力。对比以下两种写法: 场景 分配次数(每千次调用) GC 暂停时间增幅
循环内 defer f() ~1000 +12%
提前合并为单次 defer func(){...}() 1 +0.3%

假设 map 并发读写仅需 sync.RWMutex 保护

map 在写操作中可能触发扩容(hashGrow),此时底层 h.buckets 指针变更,即使读操作未修改数据,也可能因指针失效导致 panic。正确做法是使用 sync.Map(适用于读多写少)或 map + sync.RWMutex 组合,但必须确保所有写操作(含 deleteclear)均加互斥锁

假设 unsafe.Pointer 转换等价于 C 的强制类型转换

Go 的 unsafe 操作受内存模型与编译器逃逸分析双重约束。例如:

p := &x
u := unsafe.Pointer(p)
y := (*int)(u) // 合法:p 未逃逸
// 但若 p 来自 make([]int,1)[0] 的地址,则 u 可能指向栈上已回收内存

必须配合 //go:keepalive p 或确保源变量生命周期覆盖整个 unsafe 使用期。

第二章:被 runtime.chansend 证伪的“chan 操作全加锁”迷思

2.1 chan 发送操作的锁粒度与非阻塞路径分析(理论)+ 跟踪 chan send fast-path 汇编调用链(实践)

数据同步机制

Go runtime 对 chan 发送采用细粒度锁:仅在缓冲区满且无等待接收者时,才对 hchan 全局加锁;否则通过原子状态机(sendq/recvq 链表 + atomic.Load/StoreUint32)绕过锁。

fast-path 汇编入口

chan send 的快速路径始于 runtime.chansend1runtime.chansend → 汇编函数 runtime·chansendasm_amd64.s):

// runtime/asm_amd64.s: chansend
MOVQ    ax, (R8)          // 将 sendq 头指针存入 R8
TESTQ   R8, R8            // 检查是否有等待接收者
JZ      slow_path         // 无则跳转慢路径(需锁)
XCHGQ   R9, (R8)          // 原子交换接收者 goroutine 指针

逻辑说明:R8 指向 hchan.recvq.firstXCHGQ 实现无锁唤醒——直接将发送数据拷贝至接收者栈帧,并触发其就绪。参数 axhchan*R9 是待发送值地址。

关键状态流转

状态条件 路径类型 同步开销
缓冲区有空位 fast 零锁
recvq 非空 fast 原子操作
缓冲满 + recvq 为空 slow lock
graph TD
    A[chan send] --> B{buf < cap?}
    B -->|Yes| C[copy to buf]
    B -->|No| D{recvq non-empty?}
    D -->|Yes| E[wake receiver]
    D -->|No| F[lock & block]

2.2 select 多路复用中 chan 操作的无锁轮询机制(理论)+ 在 debug/asyncpreemptoff=1 下观测 goroutine 抢占点(实践)

无锁轮询的核心逻辑

select 编译时将每个 case 转为 scase 结构,运行时通过原子读取 chan.sendq/recvq 首节点指针判断就绪态,全程不加锁、不阻塞:

// runtime/chan.go 简化示意
func chanpoll(c *hchan, ep unsafe.Pointer, kind int) bool {
    lock(&c.lock)
    // ……省略实际检查逻辑
    unlock(&c.lock)
    return ready // 注意:真实实现中部分路径已优化为无锁原子访问
}

实际调度器在 selectgo() 中对 chansend()/chanrecv() 做 fast-path 无锁探测:仅读取 c.sendq.firstc.recvq.first*sudog 地址,利用 atomic.Loadp 判断队列是否非空。

抢占点观测方法

启用 GODEBUG=asyncpreemptoff=1 后,强制禁用异步抢占,仅保留同步抢占点(如函数调用、channel 操作、GC safe-point):

  • runtime.gopreempt_m() 被显式插入到 selectgo 循环末尾
  • 可通过 runtime.stack() + pprof 定位 goroutine 卡在 select 的具体 case

关键状态表:抢占点触发条件

操作类型 是否同步抢占点 触发位置
chan send chansend() 入口
chan recv chanrecv() 入口
select 轮询 selectgo() 循环尾
graph TD
    A[select 语句] --> B{遍历 scase 数组}
    B --> C[原子读 sendq/recvq.first]
    C --> D{就绪?}
    D -->|是| E[执行 case 分支]
    D -->|否| F[调用 gopark]
    F --> G[检查抢占标志]
    G -->|需抢占| H[runtime.preemptM]

2.3 close(chan) 与 send/receive 的内存序差异(理论)+ 利用 sync/atomic.CompareAndSwapUint32 验证 closed 标志写入时机(实践)

数据同步机制

Go 运行时对 close(chan) 施加了释放语义(release semantics),而从已关闭 channel 接收则具有获取语义(acquire semantics)。这确保:

  • close() 之前的写操作对后续 receive 可见;
  • sendclose() 后 panic,不参与内存序建模。

验证 closed 标志的原子写入时机

var closed uint32
ch := make(chan struct{})

go func() {
    time.Sleep(10 * time.Millisecond)
    close(ch)
    atomic.StoreUint32(&closed, 1) // 显式标记
}()

// 主 goroutine 循环检测
for atomic.LoadUint32(&closed) == 0 {
    select {
    case <-ch:
        // 触发接收路径(含 acquire barrier)
    default:
    }
}

逻辑分析atomic.StoreUint32(&closed, 1) 位于 close(ch) 后,利用其顺序一致性,可推断 close() 内部对 channel 的 closed 字段写入不早于该 store——因为运行时保证 close() 的释放屏障与用户原子操作间存在 happens-before 关系。

关键对比表

操作 内存序语义 是否触发 barrier
close(ch) release
<-ch(已关闭) acquire
ch <- x(已关闭) —(panic,无序)
graph TD
    A[goroutine A: close(ch)] -->|release barrier| B[chan.closed = 1]
    B --> C[atomic.StoreUint32&#40;&closed, 1&#41;]
    D[goroutine B: <-ch] -->|acquire barrier| E[see closed==1 & chan data]

2.4 channel buffer 的 ring buffer 实现与边界条件绕过(理论)+ 修改 hchan.buf 指针触发 panic 并反推 runtime.checkdead() 触发逻辑(实践)

ring buffer 的内存布局与索引绕回

Go 的 hchanbuf 是连续数组,sendx/recvx 为无符号整数索引,通过 & (q->size - 1) 实现 O(1) 绕回(要求 size 为 2 的幂)。

强制篡改 buf 指针触发 panic

// unsafe 伪代码:在调试器中修改 hchan.buf = nil
(*hchan)(unsafe.Pointer(ch)).buf = nil

此时任意 send/recv 调用将因 nil 解引用 panic,但更关键的是——若此时 goroutine 处于阻塞态且 buf == nilruntime.checkdead() 在死锁检测时会遍历所有 sudog,发现 c.dataqsiz > 0 && c.buf == nil 违反不变量,立即 throw("channel: buf != nil || dataqsiz == 0")

checkdead 关键校验路径

条件 含义 触发动作
c.buf == nil && c.dataqsiz > 0 缓冲区已销毁但声明有容量 throw panic
c.sendq.empty() && c.recvq.empty() && c.qcount == 0 双向空队列 + 无数据 → 死锁候选 进入全局死锁判定
graph TD
    A[checkdead] --> B{c.buf == nil?}
    B -->|Yes| C{c.dataqsiz > 0?}
    C -->|Yes| D[throw “channel: buf != nil || dataqsiz == 0”]
    C -->|No| E[继续检查 goroutine 阻塞图]

2.5 chan recv 的 “waitq” 唤醒竞态与 goparkunlock 的真实语义(理论)+ 在 GODEBUG=schedtrace=1000 下观测 goroutine 状态迁移(实践)

数据同步机制

chan.recv 中,goroutine 调用 chanrecv() 进入阻塞时,会被挂入 c.recvqwaitq);而发送方调用 chansend() 唤醒时,需原子地从 recvq 取出 sudog 并调用 goready()。此处存在经典竞态:唤醒者与被唤醒者对 sudog.g 的状态可见性未同步

goparkunlock 的真实语义

// src/runtime/proc.go
func goparkunlock(lock *mutex, reason waitReason, traceEv byte, traceskip int) {
    unlock(lock)           // ① 先释放锁(如 chan 的 lock)
    gopark(null, null, reason, traceEv, traceskip) // ② 再 park —— 此刻 G 已不可被抢占
}

关键在于:goparkunlock ≠ “park + unlock”,而是 “unlock → park” 的严格顺序,确保临界区退出后才让出 CPU,避免唤醒丢失。

观测实践

启用 GODEBUG=schedtrace=1000 后,调度器每秒输出状态快照,可观察到:

  • Grunnablewaiting(入 recvq)→ running(被 goready 唤醒)的完整迁移链;
  • 若发生唤醒竞态,会短暂出现 G 滞留在 waitingrecvq 已空的异常窗口。
状态字段 含义
GOMAXPROCS 当前 P 数量
Gidle 空闲 G(含刚 park 的)
Gwaiting 因 channel/blocking 等等待
graph TD
    A[recv: ch <-] --> B{chan 有数据?}
    B -- 是 --> C[直接拷贝,不 park]
    B -- 否 --> D[lock c; enq to recvq; goparkunlock&c.lock]
    E[send: ch <-] --> F[lock c; deq from recvq; goready]

第三章:“GC 不会干扰用户代码执行”的幻觉破除

3.1 GC mark 阶段的 write barrier 插入原理与 STW 子集(理论)+ 编译时 -gcflags=”-d=wb” 查看 barrier 插入点(实践)

Go 的标记阶段需保证对象图一致性,故在 mutator 修改指针时插入 write barrier——仅对 可能影响标记可达性 的写操作生效(如 *p = qq 是堆对象且 p 在老年代)。

数据同步机制

屏障采用 hybrid barrier(Dijkstra-style + Yuasa-style 混合),确保:

  • 老年代对象字段被写入新对象时,新对象被重新标记(或入队)
  • 不阻塞 mutator,但要求 STW 子集:仅在 barrier 启用前/后各一次极短 STW(

编译时观测 barrier 插入点

go build -gcflags="-d=wb" main.go

输出形如:

writebarrier: insert at main.go:12 (*p = q)

关键约束表

条件 是否触发 barrier 说明
p 在栈上 栈对象由扫描保障,无需 barrier
p 在老年代,q 在堆 可能创建跨代引用
p 在年轻代,q 在堆 年轻代必被扫描,无漏标风险
// 示例:触发 barrier 的典型场景
var global *Node // 全局变量 → 老年代
func f() {
    n := &Node{}     // 堆分配 → 新生代或老年代
    global = n        // ✅ 触发 write barrier:老→堆写
}

该赋值使 global(老年代)指向新堆对象 n,屏障将 n 标记为灰色或推入标记队列,避免漏标。-d=wb 会精确报告此行插入点。

3.2 三色标记中黑色对象对白色指针的“假安全引用”陷阱(理论)+ 构造含 finalizer 的循环引用并观测 GC 吞吐异常(实践)

三色标记的灰色地带

在并发标记阶段,若黑色对象(已扫描完成)在标记过程中新增指向白色对象的引用,而该白色对象尚未被重新标记为灰色,则该白色对象可能被错误回收——即“假安全引用”:黑→白引用被误判为“无需追踪”。

finalizer 循环引用的 GC 压力源

class Node {
    Node next;
    finalizer() { /* 非空 finalizer 触发注册到 FinalizerQueue */ }
}
// 构造循环:a.next = b; b.next = a;

逻辑分析finalizer() 使对象进入 Finalizer 链表,延迟至 FinalizerThread 处理;循环引用+finalizer 导致对象无法在常规标记中被判定为可回收,必须等待 finalization 阶段,显著拉长 GC 周期、降低吞吐。

GC 行为对比(典型 CMS/G1 下)

场景 平均 GC 时间 Finalizer 队列积压 吞吐下降幅度
无 finalizer 循环 12ms 0
含 finalizer 循环 89ms ≥15K ≈40%
graph TD
    A[Black Object] -->|并发写入| B[White Object]
    B --> C[未被重标记]
    C --> D[提前回收→悬挂指针]
    D --> E[UB, crash 或静默数据损坏]

3.3 GC assist 的抢占式债务偿还机制与 Goroutine 本地计数器(理论)+ 通过 runtime.GC() + GODEBUG=gctrace=1 对比 assist 开销(实践)

Go 的 GC assist 机制采用抢占式债务偿还:当 Goroutine 分配内存时,若当前堆已接近 GC 触发阈值(heap_live ≥ heap_trigger),该 Goroutine 必须暂停自身执行,协助后台标记(marking)工作,偿还其“分配债务”。

Goroutine 本地 assist debt 计数器

每个 g 结构体维护 gcAssistBytes 字段,表示待偿还的字节数(负值表示已超额协助)。债务按分配量线性累加,协助速率由 gcBackgroundUtilization 动态调节。

实践对比:assist 开销可观测

启用调试后运行两次:

GODEBUG=gctrace=1 go run -gcflags="-l" main.go
package main
import "runtime"

func main() {
    runtime.GC() // 强制触发 STW + mark phase
    b := make([]byte, 1<<20) // 分配 1MB,可能触发 assist
    _ = b
}

逻辑分析:runtime.GC() 强制进入完整 GC 周期,此时 gctrace=1 输出中 assist 字段(如 gc 1 @0.002s 0%: ... assist=0.02ms)直接反映单次 assist 耗时。对比无大分配场景,可量化 assist 的 CPU 占用比例。

场景 平均 assist 耗时 GC pause 增量
空载 GC 0.00ms ~100μs
高频小分配(1MB) 0.02–0.15ms +30–200μs
graph TD
    A[分配内存] --> B{heap_live ≥ heap_trigger?}
    B -->|Yes| C[计算 gcAssistBytes]
    B -->|No| D[正常分配]
    C --> E[进入 mark assist 循环]
    E --> F[每扫描 100 对象≈偿还 1KB debt]
    F --> G[债务归零或时间片耗尽]

第四章:“defer 是纯用户态栈管理”的认知偏差

4.1 defer 记录结构 _defer 的堆分配与 runtime.mallocgc 触发条件(理论)+ 使用 go tool compile -S 观察 deferproc 调用路径(实践)

Go 编译器对 defer 的实现依赖运行时 _defer 结构体,其内存分配策略直接影响性能。

_defer 分配路径

  • 当函数中 defer 数量 ≤ 8 且无闭包捕获时,复用 Goroutine 的 _defer 链表头(栈上预分配);
  • 否则调用 runtime.deferprocmallocgc 堆分配 _defer 实例。

观察汇编调用链

go tool compile -S main.go | grep "deferproc"

输出含 CALL runtime.deferproc(SB),证实编译期插入调用点。

mallocgc 触发条件(关键阈值)

条件 是否触发堆分配
defer 语句数 > 8
defer 函数捕获变量(含指针/接口)
defer 在循环内且无法静态判定数量
func example() {
    for i := 0; i < 5; i++ {
        defer fmt.Println(i) // 编译器无法折叠,→ 堆分配
    }
}

该循环中每次 defer 均生成新 _defer,触发 mallocgc —— 因 i 是循环变量,需独立捕获,无法复用栈上 slot。

4.2 open-coded defer 的编译期优化边界与逃逸分析失效场景(理论)+ 用 go build -gcflags=”-d=deferdetail” 分析 defer 内联决策(实践)

Go 1.22 引入的 open-coded defer 将简单 defer 指令直接展开为内联代码,绕过 runtime.deferproc 调用,但仅适用于无参数、无闭包、非循环引用、且被 defer 的函数体可静态判定不逃逸的场景。

逃逸分析失效的典型模式

  • defer 调用含指针参数(如 defer unlock(&mu)
  • defer 表达式含局部变量地址取值(&x 在 defer 中被捕获)
  • defer 函数体含 make([]int, n) 等动态分配逻辑

编译器决策验证

go build -gcflags="-d=deferdetail" main.go

输出示例:

main.go:12:6: defer func() { mu.Unlock() }() → open-coded (no escape)
main.go:15:6: defer fmt.Println(x) → heap-allocated (x escapes)
场景 是否 open-coded 原因
defer close(f) 无参数,函数体无分配
defer log.Printf("%v", v) v 逃逸至堆,需 runtime 注册
defer func(){ m[k] = v }() 闭包捕获变量,触发逃逸
func example() {
    mu.Lock()
    defer mu.Unlock() // ✅ open-coded:无参数、无逃逸、静态可析
    data := make([]byte, 1024) // 逃逸,但不影响 defer 决策
}

defer 被内联为 call runtime.unlock,省去 defer 链管理开销;make 逃逸独立分析,不污染 defer 决策——体现逃逸分析与 defer 优化的正交性

4.3 panic/recover 过程中 defer 链的重调度与 _panic 结构体生命周期(理论)+ 在 defer 函数中调用 runtime.GoSched() 观察 defer 执行顺序扰动(实践)

Go 运行时在 panic 触发时会冻结当前 goroutine 的执行流,但不立即销毁 _panic 结构体;其生命周期延续至 recover 完成或程序崩溃。此时 defer 链被标记为“panic mode”,按后进先出逆序执行——但若某 defer 内显式调用 runtime.GoSched(),将主动让出 CPU,触发调度器重选 goroutine,可能打断 defer 链的原子性执行序列。

defer 中 GoSched 的可观测扰动

func demo() {
    defer fmt.Println("A")
    defer func() {
        runtime.GoSched() // 主动让渡,引入调度不确定性
        fmt.Println("B")
    }()
    panic("trigger")
}

逻辑分析:runtime.GoSched() 不阻塞,仅向调度器发出“可抢占”信号;若此时有其他就绪 goroutine(如系统监控协程),B 的打印可能延迟,甚至被调度器插入其他 defer 调用(在多 goroutine 竞争场景下)。参数 Gosched() 无入参,纯协作式让权。

_panic 结构体关键字段语义

字段 类型 作用
arg interface{} 存储 panic 参数,被 recover 捕获的对象
deferred *_defer 指向当前 panic 下待执行的 defer 链头节点
recovered bool 标识是否已被 recover 处理,决定 defer 链是否继续展开
graph TD
    A[panic invoked] --> B[alloc _panic & link to G.panic]
    B --> C[scan defer chain, mark panic-mode]
    C --> D{recover called?}
    D -->|yes| E[set recovered=true, continue defer exec]
    D -->|no| F[unwind stack, fatal error]

4.4 defer 调用栈与 goroutine.panic 的耦合关系(理论)+ 修改 src/runtime/panic.go 注入日志验证 defer 遍历时机(实践)

panic 触发时 defer 的执行时机

Go 运行时在 gopanic 流程中,先冻结当前 goroutine 状态,再逆序遍历 _defer 链表执行,此过程与 recover 捕获强绑定。

修改 runtime 源码注入观测点

src/runtime/panic.gogopanic 函数入口处插入:

// 在 gopanic(e interface{}) { 开始处添加
print("→ gopanic: entering, defer stack len = ")
println(int64(len(gp._defer))) // 注意:实际需通过链表遍历计数,此处为示意

该日志揭示:defer 遍历发生在 gopanic 主体逻辑中、reflectcall 调用 deferproc 之后,但早于 recovery 分支判断——印证 defer 是 panic 处理的同步前置阶段,而非异步清理。

defer 遍历关键约束

  • defer 链表按注册顺序逆序执行(LIFO)
  • 若某 defer 中 panic,会覆盖原 panic(gp._panic 指针复用)
  • recover() 仅在 defer 函数内有效,因 gopanic 会检查 gp._defer != nil && gp._panic != nil
阶段 是否可 recover defer 是否已执行
panic 刚触发
进入 defer 遍历 是(在 defer 内) 部分(当前 defer)
所有 defer 执行完 否(已坠入 fatal)

第五章:回归本质——用源码重写你的 Go 直觉

当你第一次调用 time.Sleep(100 * time.Millisecond) 时,是否想过它底层如何与操作系统协同?当 sync.Mutex 在高并发下稳定锁住临界区,它的公平性、唤醒顺序、自旋策略究竟由哪些代码片段决定?本章不依赖文档摘要,而是带你潜入 Go 运行时(runtime)与标准库源码的毛细血管,用真实代码重塑对语言行为的直觉。

深入 runtime·nanotime 的原子时钟脉搏

$GOROOT/src/runtime/time.go 中,nanotime() 并非简单调用 gettimeofday。它实际委托给平台特定的汇编实现——如 linux_amd64.s 中的 runtime·nanotime_trampoline,通过 rdtscp 指令读取高精度时间戳寄存器,并结合 vDSO(virtual Dynamic Shared Object)跳过系统调用开销。这意味着每次 time.Now() 调用平均仅需 ~20 纳秒,而非传统 syscall 的 ~300 纳秒。你可以在本地执行以下命令验证差异:

go tool compile -S main.go | grep "nanotime"
# 输出将显示 call runtime.nanotime (not libc gettimeofday)

解剖 sync.Mutex 的三阶段生命周期

sync.Mutex 的状态流转远非“加锁/解锁”二元逻辑。查看 $GOROOT/src/sync/mutex.go,其核心字段 state int32 编码了四重语义:

  • 最低位 mutexLocked(1)标识持有状态
  • 次低位 mutexWoken(2)防止唤醒丢失
  • 第三位 mutexStarving(4)启用饥饿模式(避免新 goroutine 插队导致老 goroutine 饿死)
  • 剩余 29 位记录等待队列长度

Lock() 发现竞争时,会触发 semacquire1 进入 runtime.semacquire,最终调用 futex 系统调用挂起 goroutine;而 Unlock() 则通过 *runtime.futexwakeup 唤醒等待者——整个过程在 runtime/sema.go 中完成精细调度。

对比:channel send 的两种路径

Go channel 的发送操作根据缓冲区状态分裂为三条路径,全部定义在 $GOROOT/src/runtime/chan.go

条件 路径 关键函数 触发场景
缓冲区未满 直接入队 chansend1 make(chan int, 10) 向空 channel 发送第1个元素
有接收者等待 直接移交 send + goready go func(){ <-ch }(); ch <- 42
无缓冲且无接收者 goroutine 挂起 gopark + enqueueSudoG ch := make(chan int); ch <- 1(死锁前)

这种设计使 channel 在无竞争时零分配,在有竞争时自动降级为运行时调度对象,而非用户态锁模拟。

实战:用 go:linkname 绕过封装观察 runtime.g

在调试 goroutine 泄漏时,可利用 //go:linkname 直接访问未导出的 runtime.g 结构体:

import "unsafe"
//go:linkname getg runtime.getg
func getg() *g

type g struct {
    stack       stack
    _goid       int64
    gopc        uintptr
    startpc     uintptr
}

通过 unsafe.Offsetof(g.stack) 可精确计算栈使用量,比 runtime.Stack 更低开销。

真正理解 Go,不是记住“goroutine 轻量”,而是看见 runtime.newproc1 如何复用 g 结构体、如何设置 g.sched.pc = fn、如何将新 g 推入 P 的本地运行队列。每一行源码都在重写你大脑中对并发、内存、调度的原始直觉。

在并发的世界里漫游,理解锁、原子操作与无锁编程。

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