Go channel实现原理剖析
1. 前言
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。
本章从源码角度分析channel的实现机制，实际上这部分源码非常简单易读。
2. 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
}
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。
2.1 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：
- 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，队列中还剩余两个元素；
- qcount表示队列中还有两个元素；
- sendx指示后续写入的数据存储的位置，取值[0, 6)；
- recvx指示从该位置读取数据, 取值[0, 6)；
2.2 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；
下图展示了一个没有缓冲区的channel，有几个goroutine阻塞等待读数据：
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。
2.3 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。
2.4 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。
3. channel读写
3.1 创建channel
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
}
3.2 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；
简单流程图如下：
3.3 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；
简单流程图如下：
3.4 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
4. 常见用法
4.1 单向channel
顾名思义，单向channel指只能用于发送或接收数据，实际上并没有单向channel。
我们知道channel可以通过参数传递，所谓单向channel只是对channel的一种使用限制，这跟C语言使用const修饰函数参数为只读是一个道理。
- 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
一个简单的示例程序如下：
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。
4.2 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。
一个简单的示例程序如下：
package main
import (
"fmt"
"time"
)
func addNumberToChan(chanName chan int) {
for {
chanName <- 1
time.Sleep(1 * time.Second)
}
}
func main() {
var chan1 = make(chan int, 10)
var chan2 = make(chan int, 10)
go addNumberToChan(chan1)
go addNumberToChan(chan2)
for {
select {
case e := <- chan1 :
fmt.Printf("Get element from chan1: %d\n", e)
case e := <- chan2 :
fmt.Printf("Get element from chan2: %d\n", e)
default:
fmt.Printf("No element in chan1 and chan2.\n")
time.Sleep(1 * time.Second)
}
}
}
程序中创建两个channel： chan1和chan2。函数addNumberToChan()函数会向两个channel中周期性写入数据。通过select可以监控两个channel，任意一个可读时就从其中读出数据。
程序输出如下：
D:\SourceCode\GoExpert\src>go run main.go
Get element from chan1: 1
Get element from chan2: 1
No element in chan1 and chan2.
Get element from chan2: 1
Get element from chan1: 1
No element in chan1 and chan2.
Get element from chan2: 1
Get element from chan1: 1
No element in chan1 and chan2.
从输出可见，从channel中读出数据的顺序是随机的，事实上select语句的多个case执行顺序是随机的，关于select的实现原理会有专门章节分析。
通过这个示例想说的是：select的case语句读channel不会阻塞，尽管channel中没有数据。这是由于case语句编译后调用读channel时会明确传入不阻塞的参数，此时读不到数据时不会将当前goroutine加入到等待队列，而是直接返回。
4.3 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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