Golang Channel 实现原理

前言#

最近真高产啊, 果然有压力就有动力了, 不知道能保持多久, 真是痛并快乐着

什么是 Channel#

channel常用来作为多个协程直接通信, 在真正编写代码中使用频率非常高, 他就是一个管道, 先进先出, 那么, 作为程序员, 有必要了解channel的实现原理

数据结构#

那么, 和往常一样, 还是从数据结构开始看起

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
}

环形队列#

chan 内部实现了一个环形队列作为缓冲区, 你指定的缓冲区的长度就是这个环形队列的长度

比如make(chan int, 6), 在多次进行操作之后, 他的数据可能是

{
  qcount: 2,  // 代表队列中还有2个元素
  dataqsiz: 6,  // 代表队列长度(缓冲区)为6
  buf: [0, 1, 1, 0, 0, 0],  // 真正的数据, 假设两个数据都是1
  sendx: 3,  // 后续需要增加数据时, 从 buf 索引3开始
  recvx: 1,  // 需要读取数据是, 从 buf 索引1开始
}

等待队列#

我们知道, 如果缓冲区已满或者没有消费者获取数据时, 向 channel 写入数据会阻塞

我们也知道, 如果缓冲区已空或者没有生产者生产数据时, 从 channel 获取数据也会阻塞

对于一个 channel 来讲, 其生产者和消费者的 goroutine 存储在 hchan 的recvq和sendq中

• recvq: 等待从 channel 读取数据的 goroutine
• sendq: 等待向 channel 写入数据的 goroutine

他们是互相唤醒的, 比如

• 当 goroutine 向 channel 写入数据时, 会唤醒recvq里的 goroutine
• 当 goroutine 从 channel 读取数据是, 会唤醒sendq里的 goroutine

一般情况下 recvq和sendq至少有一个为空, 也就是说一般情况下不可能存在既有向 channel 写入数据的 goroutine 等待, 又有从 channel 获取数据的 goroutine 等待. 除非在同一个 goroutine 中使用 select向 channel 一边写一边读

类型信息#

在 channel 中, make 的时候就必须设定这个 channel 中存储的值的类型, 对应的字段如下

• elemtype 每个元素的类型
• elemsize 类型的大小, 主要用来在 buf 里定位元素

锁#

channel 内部实际上有一个互斥锁来保证同时仅允许被一个 goroutine 进行操作, 关于互斥锁原理可以查看我的博客, 这里不多赘述

锁在hchan的字段是 lock

创建 channel#

创建 channel 使用 make, 例如make(chan int, 6), 在 make 时, 就确定了 hchan 的buf/elemsize/elemtype/dadaqsize字段

写数据#

向 channel 中写入数据的简单过程如下:

1. 判断recvq是否为空, 不为空则代表有 goroutine 在等待读数据, 也就是说缓冲区中没有数据了或者没有缓冲区, 此时会直接从recvq中取出 goroutine, 直接把 goroutine 唤醒并且将数据写入, 结束写入过程
2. 如果recvq为空, 代表此时没有 goroutine 在读数据, 此时, 如果 channel 中有缓冲区且缓冲区中有空余位置, 则直接将数据写入缓冲区, 结束过程
3. 如果 channel 缓冲区已满或者没有缓冲区时, 将等待发送的数据写入当前 goroutine 中, 同时将当前 goroutine 加入到sendq, 等待被读取的goroutine唤醒

读数据#

读数据与写数据类似, 过程如下:

1. 判断sendq是否为空, 不为空则代表有 goroutine 在等待写数据, 此时判断缓冲区是否有值, 如果缓冲区有数据, 则从缓冲区首部(recvx)读取一个数据, 同时唤醒sendq中的等待写入 goroutine, 通知其写入数据, 结束流程
2. 如果没有缓冲区, 则从senq中获取等待发送数据的 goroutine, 获取数据并唤醒这个 goroutine, 结束流程
3. 如果当前sendq为空且缓冲区为空, 代表此时没有数据, 这时将 goroutine 加入到recvq中, 等待被写 goroutine 唤醒

关闭#

关闭 channel 会把recvq中的 goroutine 全部唤醒, 然后将里面存储的数据设置为 nil. 然后将senq中的 goroutine 全部唤醒, 但是这些 goroutine 会导致 panic, 所以必须要确保这个 channel 在写入时都是开启的状态