Go - channel 实现原理

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Go - channel 实现原理

image.png

channel是Golang在语言层面提供的goroutine间的通信方式，比Unix管道更易用也更轻便。channel主要用于进 程内各goroutine间通信，如果需要跨进程通信，建议使用分布式系统的方法来解决。

一、chan数据结构

src/runtime/chan.go:hchan 定义了channel的数据结构：

type hchan struct {
    qcount   uint           // 当前队列中剩余元素个数
    dataqsiz uint           // 环形队列长度，即可以存放的元素个数
    buf      unsafe.Pointer // 环形队列指针
    elemsize uint16         // 每个元素的大小
    closed   uint32         // 标识关闭状态
    elemtype *_type         // 元素类型
    sendx    uint           // 队列下标，指示元素写入时存放到队列中的位置
    recvx    uint           // 队列下标，指示元素从队列的该位置读出
    recvq    waitq          // 等待读消息的goroutine队列
    sendq    waitq          // 等待写消息的goroutine队列
​
    lock mutex              // 互斥锁，chan不允许并发读写
}
  • waitq
type waitq struct {
    first *sudog   // 队列头部
    last  *sudog   // 队列尾部
}

从数据结构可以看出channel由队列、类型信息、goroutine等待队列组成，下面分别说明其原理

1.1 环形队列

chan内部实现了一个环形队列作为其缓冲区，队列的长度是创建chan时指定的。

下图展示了一个可缓存6个元素的channel示意图：

image.png

  • dataqsiz：指示了队列长度为6，即可缓存6个元素；
  • buf：指向队列的内存，队列中还剩余2个元素；
  • qcount：表示队列中还有4个元素；
  • sendx：指示后续写入的数据存储的位置，值为0 ，取值范围[0, 6)；
  • recvx：指示从该位置读取数据，值为4 ，取值[0, 6)；

1.2 等待队列

从channel读数据，如果channel缓冲区为空或者没有缓冲区，当前goroutine会被阻塞。

向channel写数据，如 果channel缓冲区已满或者没有缓冲区，当前goroutine会被阻塞。

被阻塞的goroutine将会挂在channel的等待队列中：

  • 因读阻塞的goroutine会被向channel写入数据的goroutine唤醒；
  • 因写阻塞的goroutine会被从channel读数据的goroutine唤醒；

展示了一个没有缓冲区的channel，有几个goroutine阻塞等待读数据：

image.png

注意，一般情况下recvq和sendq至少有一个为空。只有一个例外，那就是同一个goroutine使用select语句向 channel一边写数据，一边读数据。

1.3 类型信息

一个channel只能传递一种类型的值，类型信息存储在hchan数据结构中。

  • elemtype代表类型，用于数据传递过程中的赋值；
  • elemsize代表类型大小，用于在buf中定位元素位置。

1.4 锁

一个channel同时仅允许被一个goroutine读写，为简单起见，本章后续部分说明读写过程时不再涉及加锁和解锁

二、Channel读写

2.1 创建channel

image.png

创建channel的过程实际上是初始化hchan结构。其中类型信息和缓冲区长度由make语句传入，buf的大小则与元素 大小和缓冲区长度共同决定。

创建channel的伪代码如下所示：

func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
    var c *hchan
    c = new(hchan)
    c.buf = malloc(元素类型大小*size)
    c.elemsize = 元素类型大小
    c.elemtype = 元素类型
    c.dataqsiz = size
    
    return c
}
​

2.2 向channel写数据

向一个channel中写数据简单过程如下：

  • 如果等待接收队列recvq不为空，说明缓冲区中没有数据或者没有缓冲区，此时直接从recvq取出G, 并把数据写入，最后把该G唤醒，结束发送过程；
  • 如果缓冲区中有空余位置，将数据写入缓冲区结束发送过程；
  • 如果缓冲区中没有空余位置，将待发送数据写入G，将当前G加入sendq进入睡眠，等待被读goroutine唤醒；

image.png

2.3 从channel读数据

从一个channel读数据简单过程如下：

  • 如果等待发送队列sendq不为空，且没有缓冲区，直接从sendq中取出G，把G中数据读出，最后把G唤醒，结束 读取过程；
  • 如果等待发送队列sendq不为空，此时说明缓冲区已满，从缓冲区中首部读出数据，把G中数据写入缓冲区尾 部，把G唤醒，结束读取过程；
  • 如果缓冲区中有数据，则从缓冲区取出数据，结束读取过程；
  • 将当前goroutine加入recvq，进入睡眠，等待被写goroutine唤醒；

image.png

2.4 关闭channel

关闭channel时会把recvq中的G全部唤醒，本该写入G的数据位置为nil。把sendq中的G全部唤醒，但这些G会 panic。

除此之外，panic出现的常见场景还有：

  • 关闭值为nil的channel
  • 关闭已经被关闭的channel
  • 向已经关闭的channel写数据

2.5 可操作方式

操作 channel 一般有如下三种方式：

  • 读 <-ch
  • 写 ch<-
  • 关闭 close(ch)

image.png

注意 对于 nil channel 的情况，有1个特殊场景：

当 nil channel 在 select 的某个 case 中时，这个 case 会阻塞，但不会造成死锁

三、常见用法

3.1 常见的用法

单向channel

单向channel指只能用于发送或接收数据，实际上也没有单向channel

  • func readChan(chanName <-chan int)：

    通过形参限定函数内部只能从channel中读取数据

  • func writeChan(chanName chan<- int)：

    通过形参限定函数内部只能向channel中写入数据

func    readChan(chanName   <-chan  int)    {
                    <-  chanName
}

func    writeChan(chanName  chan<-  int)    {
                chanName    <-  1
}

func    main()  {
            var mychan  =   make(chan   int,    10) 
            writeChan(mychan)
            readChan(mychan)
}

mychan是个正常的channel，而readChan()参数限制了传入的channel只能用来读，writeChan()参数限制了传 入的channel只能用来写。

Select

使用select可以监控多channel，比如监控多个channel，当其中某一个channel有数据时，就从其读出数据。

Range

通过range可以持续从channel中读出数据，好像在遍历一个数组一样，当channel中没有数据时会阻塞当前goroutine，与读channel时阻塞处理机制一样。

    func chanRange(chanName chan    int)    {
        for e:= range   chanName    {
            fmt.Printf("Get element from    chan:   %d\n",  e)
        }
    }

注意：如果向此channel写数据的goroutine退出时，系统检测到这种情况后会panic，否则range将会永久阻塞。

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