Go面试题(五):图解 Golang Channel 的底层原理

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大家好,我是小道哥。

今天给大家带来的面试专题是:Golang Channel

channel的底层数据结构

channel是golang中用来实现多个goroutine通信的管道,它的底层是一个叫做hchan的结构体。在go的runtime包下。

数据结构

type hchan struct {
  //channel分为无缓冲和有缓冲两种。
  //对于有缓冲的channel存储数据,借助的是如下循环数组的结构
	qcount   uint           // 循环数组中的元素数量
	dataqsiz uint           // 循环数组的长度
	buf      unsafe.Pointer // 指向底层循环数组的指针
	elemsize uint16 //能够收发元素的大小
  

	closed   uint32   //channel是否关闭的标志
	elemtype *_type //channel中的元素类型
  
  //有缓冲channel内的缓冲数组会被作为一个“环型”来使用。
  //当下标超过数组容量后会回到第一个位置,所以需要有两个字段记录当前读和写的下标位置
	sendx    uint   // 下一次发送数据的下标位置
	recvx    uint   // 下一次读取数据的下标位置
  
  //当循环数组中没有数据时,收到了接收请求,那么接收数据的变量地址将会写入读等待队列
  //当循环数组中数据已满时,收到了发送请求,那么发送数据的变量地址将写入写等待队列
	recvq    waitq  // 读等待队列
	sendq    waitq  // 写等待队列


	lock mutex //互斥锁,保证读写channel时不存在并发竞争问题
}

对应图解如下:

总结hchan结构体的主要组成部分有四个:

  • 用来保存goroutine之间传递数据的循环链表。=====> buf。
  • 用来记录此循环链表当前发送或接收数据的下标值。=====> sendx和recvx。
  • 用于保存向该chan发送和从改chan接收数据的goroutine的队列。=====> sendq 和 recvq
  • 保证channel写入和读取数据时线程安全的锁。 =====> lock

举个栗子


//G1
func sendTask(taskList []Task) {
	...
  
	ch:=make(chan Task, 4) // 初始化长度为4的channel
	for _,task:=range taskList {
		ch <- task  //发送任务到channel
	}
  
	...
}

//G2
func handleTask(ch chan Task) {
	for {
		task:= <-ch //接收任务
		process(task) //处理任务
	}
}

ch是长度为4的带缓冲的channel,G1是发送者,G2是接收者

  • 初始hchan结构体重的buf为空,sendx和recvx均为0。
  • 当G1向ch里发送数据时,首先会对buf加锁,然后将数据copy到buf中,然后sendx++,然后释放对buf的锁。
  • 当G2消费ch的时候,会首先对buf加锁,然后将buf中的数据copy到task变量对应的内存里,然后recvx++,并释放锁。

可以发现整个过程,G1和G2没有共享的内存,底层是通过hchan结构体的buf,并使用copy内存的方式进行通信,最后达到了共享内存的目的,这里也体现了Go中的CSP并发模型,(PS: Copy 可以防止数据在传输过程中被意外或恶意修改。如果某个 goroutine 在发送数据同时修改了数据,那么接收方得到的可能是篡改后的数据。通过将数据 copy 到 channel,然后再 copy 到接收 goroutine,可以确保数据在传输过程中不会被修改。)。

Go中的CSP并发模型即是通过goroutine和channel实现的。

CSP并发模型:不要以共享内存的方式来通信,相反,要通过通信的方式来共享内存。

那么当channel中的缓存满了之后会发生什么呢?

首先简单了解下GMP的概念。相关的数据模型如下图:

【G】goroutine是Golang实现的用户空间的轻量级的线程

【M】代表操作系统线程

【P】处理器, 它包含了待运行goroutine。

如果线程M想运行goroutine,必须先获取P,从P中获取goroutine执行。

当G1向buf已经满了的ch发送数据的时候,检测到hchan的buf已经满了,会通知调度器,调度器会将G1的状态设置为waiting, 并移除与线程M的联系,然后从P的runqueue中选择一个goroutine在线程M中执行,此时G1就是阻塞状态,但是不是操作系统的线程阻塞,所以这个时候只用消耗少量的资源。

那么G1设置为waiting状态后去哪了?怎们去resume呢?我们再回到hchan结构体,注意到hchan有个sendq的成员,其类型是waitq,查看源码如下:

type hchan struct {
	...
  recvq    waitq  // 读等待队列
	sendq    waitq  // 写等待队列
	...
}

type waitq struct {
	first *sudog
	last *sudog
}

实际上,当G1变为waiting状态后,会创建一个代表自己的sudog的结构,然后放到sendq这个list中,sudog结构中保存了channel相关的变量的指针(如果该Goroutine是sender,那么保存的是待发送数据的变量的地址,如果是receiver则为接收数据的变量的地址,之所以是地址,前面我们提到在传输数据的时候使用的是copy的方式)

当G2从ch中接收一个数据时,会通知调度器,设置G1的状态为runnable,然后将加入P的runqueue里,等待线程执行.

func G2(){
  t := <-ch
}

前面我们是假设G1先运行,如果G2先运行会怎么样呢?

如果G2先运行,那么G2会从一个empty的channel里取数据,这个时候G2就会阻塞,和前面介绍的G1阻塞一样,G2也会创建一个sudog结构体,保存接收数据的变量的地址,但是该sudog结构体是放到了recvq列表里。

当G1向ch发送数据的时候,为了提升效率,runtime并不会对hchan结构体题的buf进行加锁,而是直接将G1里的发送到ch的数据copy到了G2 sudog里对应的elem指向的内存地址!【不通过buf】

这时候,张三道友抛出了三个问题:

  • 为什么在第一种情况下,即G1向缓存满的channel中发送数据时被阻塞。在G2后来接收时,不将阻塞的G1发送的数据直接拷贝到G2中呢?

    这是因为channel中的数据是队列的,遵循先进先出的原则,当有消费者G2接收数据时,需要先接收缓存中的数据,即buf中的数据,而不是直接消费阻塞的G1中的数据。

  • 多个goroutine向有缓存的channel接收/发送数据时,可以保证顺序吗?

    func main(){
    	cache:=make(chan int,3)
    	go func() {
    		for i:=0;i< 3;i++ {
    		cache<-i
    	}
    	}()
    	time.Sleep(time.Second)
      //休眠1秒钟,保证channel中的数据已经写入完整
    	go getCache("gorouine1",cache)
    	go getCache("gorouine2",cache)
    	go getCache("gorouine3",cache)
    	time.Sleep(time.Second)
    }
    
    func getCache(routine string,cache <-chan int) {
    	for  {
    		select {
    		case i:=<-cache:
    			fmt.Printf("%s:%d\n",routine,i)
    		}
    	}
    }
    

    很多道友在工作中应用channel时遇到上述场景都会默认为是有序的,即认为输出结果应该是:

    gorouine1:0
    gorouine2:1
    gorouine3:2
    

    但实则不然,输出结果如下:

    $go run main.go
    gorouine3:1
    gorouine2:2
    gorouine1:0
    

    这里其实主要需要明确两点:

    • channel中的数据遵循队列先进先出原则。
    • 每一个goroutine抢到处理器的时间点不一致,gorouine的执行本身不能保证顺序。

    即代码中先写的gorouine并不能保证先从channel中获取数据,或者发送数据。但是先执行的gorouine与后执行的goroutine在channel中获取的数据肯定是有序的。

  • Channel为什么是线程安全的?

    在对buf中的数据进行入队和出队操作时,为当前chnnel使用了互斥锁,防止多个线程并发修改数据

channel的用法

使用for range 读取channel

for i := range ch{
    fmt.Println(i)
}
  • 场景:当需要不断从channel读取数据时
  • 原理:使用for-range读取channel,这样既安全又便利,无需主动监测channel是否关闭,可以防止读取已经关闭的channel,造成读到数据为通道所存储的数据类型的零值。需要注意一点,当channel关闭时,for循环不会立即退出,它会把关闭前待发送的元素全接收后,for循环才会自动退出,

使用_,ok判断channel是否关闭

if v, ok := <- ch; ok {
    fmt.Println(v)
}
  • 场景:读channel,但不确定channel是否关闭时
  • 原理:读已关闭的channel会得到零值,如果不确定channel,需要使用ok进行检测。ok的结果和含义:
    • true:读到数据,并且通道没有关闭。
    • false:通道关闭,无数据读到。

使用select处理多个channel

for{
  select {
  case <-ch1:
  	process1()
  	return
  case <-ch2:
  	process2()
  	return
	}
}
  • 场景:需要对多个通道进行同时处理,但只处理最先发生的channel时
  • 原理:select可以同时监控多个通道的情况,只处理未阻塞的case。
    • 当通道为nil时,对应的case永远为阻塞。
    • 如果channel已经关闭,则这个case是非阻塞的,每次select都可能会被执行到。
    • 如果多个channel都处于非阻塞态,则select会随机选择一个执行。

关闭channel的注意事项

  • 一个 channel不能多次关闭,会导致painc

  • 向一个已经关闭了的 channel发送数据会导致panic

面试点总结

  • Go channel的底层数据结构以及工作原理?
  • 向缓存满的channel写数据会发生什么?
  • 向没有数据的channel读数据会发生什么?
  • 简述channel的日常用法?

后语

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