go lang Channel

前置知识：多个线程之间传递数据的方式

通过共享内存通信

共享内存通信（interprocess communication，IPC）是进程通信方式中最快的方式。共享内存方式允许两个或者多个进程同时访问一块内存。当一个进程改变这块内存的时候，其它进程可以快速对这种改变进行响应，这些进程间数据将不会涉及到内核。

共享内存实现步骤

创建内存共享区域（在物理内存中开辟一块共享内存区）
将此共享内存区挂接在两个进程的地址空间上（实现内存映射关系）
完成通信后，撤销内存隐射关系
删除内存共享区

共享内存特性

共享内存是最快的进程间通信的方案。不管是管道还是消息队列都必须把用户数据拷贝至内核，然后接收方再从内核中拷进来。共要进行两次拷贝，而共享内存一旦映射成功，一个进程向共享内存区写入了数据，其他共享这个内存的所有进程就能立刻看到其中的内容。共享内存没有提供同步与互斥的机制。这部分的功能需要自己完成。若一个进程正在想共享内存区中写数据，则在它做完这一步的操作前，别的进程不应该去读或者写数据。

共享内存模式进程通信优缺点

优点

通信方便
接口简单
数据共享无需传递数据，而是直接访问内存
速度快
不要求进程间关系（父子进程）

缺点

没有同步机制，如果需要进程间同步进行通信则需要通过其它手段
线程之间可能存在竞争关系，需要加互斥锁

通信顺序进程（CSP communicating sequential process）=>Go Lang独有

CSP 是 Communicating Sequential Process 的简称，中文可以叫做通信顺序进程，是一种并发编程模型，是一个很强大的并发数据模型，是上个世纪七十年代提出的，用于描述两个独立的并发实体通过共享的通讯 channel(管道)进行通信的并发模型。

process 就是Go语言中的 goroutine，每个 goroutine 之间是通过 channel 通讯来实现数据共享。

这里我们要明确的是“并发不是并行”。并发更关注的是程序的设计层面，并发的程序完全是可以顺序执行的，只有在真正的多核 CPU 上才可能真正地同时运行；并行更关注的是程序的运行层面，并行一般是简单的大量重复，例如 GPU 中对图像处理都会有大量的并行运算。

为了更好地编写并发程序，从设计之初Go语言就注重如何在编程语言层级上设计一个简洁安全高效的抽象模型，让开发人员专注于分解问题和组合方案，而且不用被线程管理和信号互斥这些烦琐的操作分散精力。

在并发编程中，对共享资源的正确访问需要精确地控制，在目前的绝大多数语言中，都是通过加锁等线程同步方案来解决这一困难问题，而Go语言却另辟蹊径，它将共享的值通过通道传递（实际上多个独立执行的线程很少主动共享资源）。

FIFO

目前的 Channel 收发操作均遵循了先进先出的设计，具体规则如下：

先从 Channel 读取数据的 Goroutine 会先接收到数据；
先向 Channel 发送数据的 Goroutine 会得到先发送数据的权利；
发送方会向缓冲区中写入数据，然后唤醒接收方，多个接收方会尝试从缓冲区中读取数据，如果没有读取到会重新陷入休眠；
接收方会从缓冲区中读取数据，然后唤醒发送方，发送方会尝试向缓冲区写入数据，如果缓冲区已满会重新陷入休眠；

无锁管道

无锁（lock-free）队列更准确的描述是使用乐观并发控制的队列,乐观并发控制本质上是基于验证的协议，它假设多用户并发的事务在处理时不会彼此互相影响，各事务能够在不产生锁的情况下处理各自影响的那部分数据。在提交数据更新之前，每个事务会先检查在该事务读取数据后，有没有其他事务又修改了该数据。如果其他事务有更新的话，正在提交的事务会进行回滚。Channel 在运行时的内部表示是 runtime.hchan，该结构体中包含了用于保护成员变量的互斥锁，从某种程度上说，Channel 是一个用于同步和通信的有锁队列，使用互斥锁解决程序中可能存在的线程竞争问题是很常见的，我们能很容易地实现有锁队列。

但是，锁导致的休眠和唤醒会带来额外的上下文切换，如果临界区过大，加锁解锁导致的额外开销就会成为性能瓶颈。1994 年的论文 Implementing lock-free queues 就研究了如何使用无锁的数据结构实现先进先出队列7，而 Go 语言社区也在 2014 年提出了无锁 Channel 的实现方案，该方案将 Channel 分成了以下三种类型：

同步 Channel — 不需要缓冲区，发送方会直接将数据交给（Handoff）接收方；
异步 Channel — 基于环形缓存的传统生产者消费者模型；
chan struct{} 类型的异步 Channel — struct{} 类型不占用内存空间，不需要实现缓冲区和直接发送（Handoff）的语义；

这个提案的目的也不是实现完全无锁的队列，只是在一些关键路径上通过无锁提升 Channel 的性能。社区中已经有无锁 Channel 的实现，但是在实际的基准测试中，无锁队列在多核测试中的表现还需要进一步的改进。

数据结构

Go 语言的 Channel 在运行时使用 runtime.hchan 结构体表示。我们在 Go 语言中创建新的 Channel 时，实际上创建的都是如下所示的结构：

type hchan struct {
	qcount   uint
	dataqsiz uint
	buf      unsafe.Pointer
	elemsize uint16
	closed   uint32
	elemtype *_type
	sendx    uint
	recvx    uint
	recvq    waitq
	sendq    waitq

	lock mutex
}

runtime.hchan 结构体中的五个字段 qcount、dataqsiz、buf、sendx、recv 构建底层的循环队列：

qcount — Channel 中的元素个数；
dataqsiz — Channel 中的循环队列的长度；
buf — Channel 的缓冲区数据指针；
sendx — Channel 的发送操作处理到的位置；
recvx — Channel 的接收操作处理到的位置；

除此之外，elemsize 和 elemtype 分别表示当前 Channel 能够收发的元素类型和大小；sendq 和 recvq 存储了当前 Channel 由于缓冲区空间不足而阻塞的 Goroutine 列表，这些等待队列使用双向链表 runtime.waitq 表示，链表中所有的元素都是 runtime.sudog 结构：

type waitq struct {
	first *sudog
	last  *sudog
}

runtime.sudog 表示一个在等待列表中的 Goroutine，该结构中存储了两个分别指向前后 runtime.sudog 的指针以构成链表。

【go note】go中的channel(待续)