Go channel底层原理

时间:2022-09-28 阿甘与阿Q 人气:0

概念：

Go中的channel 是一个队列，遵循先进先出的原则，负责协程之间的通信（Go 语言提倡不要通过共享内存来通信，而要通过通信来实现内存共享，CSP(Communicating Sequential Process)并发模型，就是通过 goroutine 和 channel 来实现的）

使用场景：

停止信号监听

定时任务

生产方和消费方解耦

控制并发数

底层数据结构：

通过var声明或者make函数创建的channel变量是一个存储在函数栈帧上的指针，占用8个字节，指向堆上的hchan结构体

源码包中src/runtime/chan.go定义了hchan的数据结构：

hchan结构体：

type hchan struct {
 closed   uint32   // channel是否关闭的标志
 elemtype *_type   // channel中的元素类型
 // channel分为无缓冲和有缓冲两种。
 // 对于有缓冲的channel存储数据，使用了 ring buffer（环形缓冲区) 来缓存写入的数据，本质是循环数组
 // 为啥是循环数组？普通数组不行吗，普通数组容量固定更适合指定的空间，弹出元素时，普通数组需要全部都前移
 // 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
 buf      unsafe.Pointer // 指向底层循环数组的指针（环形缓冲区）
 qcount   uint           // 循环数组中的元素数量
 dataqsiz uint           // 循环数组的长度
 elemsize uint16                 // 元素的大小
 sendx    uint           // 下一次写下标的位置
 recvx    uint           // 下一次读下标的位置
 // 尝试读取channel或向channel写入数据而被阻塞的goroutine
 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
}

等待队列：

双向链表，包含一个头结点和一个尾结点

每个节点是一个sudog结构体变量，记录哪个协程在等待，等待的是哪个channel，等待发送/接收的数据在哪里

type waitq struct {
   first *sudog
   last  *sudog
}
type sudog struct {
    g *g
    next *sudog
    prev *sudog
    elem unsafe.Pointer 
    c        *hchan 
    ...
}

操作：

创建

使用 make(chan T, cap) 来创建 channel，make 语法会在编译时，转换为 makechan64 和 makechan

func makechan64(t *chantype, size int64) *hchan {
    if int64(int(size)) != size {
        panic(plainError("makechan: size out of range"))
    }
    return makechan(t, int(size))
}

创建channel 有两种，一种是带缓冲的channel，一种是不带缓冲的channel

// 带缓冲
ch := make(chan int, 3)
// 不带缓冲
ch := make(chan int)

创建时会做一些检查:

元素大小不能超过 64K
元素的对齐大小不能超过 maxAlign 也就是 8 字节
计算出来的内存是否超过限制

创建时的策略:

如果是无缓冲的 channel，会直接给 hchan 分配内存
如果是有缓冲的 channel，并且元素不包含指针，那么会为 hchan 和底层数组分配一段连续的地址
如果是有缓冲的 channel，并且元素包含指针，那么会为 hchan 和底层数组分别分配地址

发送

发送操作，编译时转换为runtime.chansend函数

func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool

阻塞式：

调用chansend函数，并且block=true

ch <- 10

非阻塞式：

调用chansend函数，并且block=false

select {
    case ch <- 10:
    ...
  default
}

向 channel 中发送数据时大概分为两大块：检查和数据发送，数据发送流程如下：

如果 channel 的读等待队列存在接收者goroutine

将数据直接发送给第一个等待的 goroutine， 唤醒接收的 goroutine

如果 channel 的读等待队列不存在接收者goroutine

如果循环数组buf未满，那么将会把数据发送到循环数组buf的队尾
如果循环数组buf已满，这个时候就会走阻塞发送的流程，将当前 goroutine 加入写等待队列，并挂起等待唤醒

接收

发送操作，编译时转换为runtime.chanrecv函数

func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool)

阻塞式：

调用chanrecv函数，并且block=true

<ch
v := <ch
v, ok := <ch
// 当channel关闭时，for循环会自动退出，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
for i := range ch {
    fmt.Println(i)
}

非阻塞式：

调用chanrecv函数，并且block=false

select {
    case <-ch:
    ...
  default
}

向 channel 中接收数据时大概分为两大块，检查和数据发送，而数据接收流程如下：

如果 channel 的写等待队列存在发送者goroutine

如果是无缓冲 channel，直接从第一个发送者goroutine那里把数据拷贝给接收变量，唤醒发送的 goroutine
如果是有缓冲 channel（已满），将循环数组buf的队首元素拷贝给接收变量，将第一个发送者goroutine的数据拷贝到 buf循环数组队尾，唤醒发送的 goroutine

如果 channel 的写等待队列不存在发送者goroutine

如果循环数组buf非空，将循环数组buf的队首元素拷贝给接收变量
如果循环数组buf为空，这个时候就会走阻塞接收的流程，将当前 goroutine 加入读等待队列，并挂起等待唤醒

关闭

关闭操作，调用close函数，编译时转换为runtime.closechan函数

close(ch)

func closechan(c *hchan)

案例分析：

package main
import (
    "fmt"
    "time"
    "unsafe"
)
func main() {
  // ch是长度为4的带缓冲的channel
  // 初始hchan结构体重的buf为空，sendx和recvx均为0
    ch := make(chan string, 4)
    fmt.Println(ch, unsafe.Sizeof(ch))
    go sendTask(ch)
    go receiveTask(ch)
    time.Sleep(1 * time.Second)
}
// G1是发送者
// 当G1向ch里发送数据时，首先会对buf加锁，然后将task存储的数据copy到buf中，然后sendx++，然后释放对buf的锁
func sendTask(ch chan string) {
    taskList := []string{"this", "is", "a", "demo"}
    for _, task := range taskList {
        ch <- task //发送任务到channel
    }
}
// G2是接收者
// 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
func receiveTask(ch chan string) {
    for {
        task := <-ch                  //接收任务
        fmt.Println("received", task) //处理任务
    }
}

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数组：buf
用来记录此循环数组当前发送或接收数据的下标值：sendx和recvx
用于保存向该chan发送和从该chan接收数据被阻塞的goroutine队列： sendq 和 recvq
保证channel写入和读取数据时线程安全的锁：lock

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