golang channel原理

作者：@daemon365
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channel介绍

channel一个类型管道，通过它可以在goroutine之间发送和接收消息。它是Golang在语言层面提供的goroutine间的通信方式。

众所周知，Go依赖于称为CSP（Communicating Sequential Processes）的并发模型，通过Channel实现这种同步模式。Go并发的核心哲学是不要通过共享内存进行通信; 相反，通过沟通分享记忆。

下面以简单的示例来演示Go如何通过channel来实现通信。

package main
import (
    "fmt"
    "time"
)
func goRoutineA(a <-chan int) {
    val := <-a
    fmt.Println("goRoutineA received the data", val)
}
func goRoutineB(b chan int) {
    val := <-b
    fmt.Println("goRoutineB  received the data", val)
}
func main() {
    ch := make(chan int, 3)
    go goRoutineA(ch)
    go goRoutineB(ch)
    ch <- 3
    time.Sleep(time.Second * 1)
}

结果为：goRoutineA received the data 3

上面只是个简单的例子，只输出goRoutineA ，没有执行goRoutineB，说明channel仅允许被一个goroutine读写。

go并发知识：链接

说道channel这里不得不提通道的结构hchan。

hchan

源代码在src/runtime/chan.go

type hchan struct {
   qcount   uint           // total data in the queue
   dataqsiz uint           // size of the circular queue
   buf      unsafe.Pointer // points to an array of dataqsiz elements
   elemsize uint16
   closed   uint32
   elemtype *_type // element type
   sendx    uint   // send index
   recvx    uint   // receive index
   recvq    waitq  // list of recv waiters
   sendq    waitq  // list of send waiters
 
   // lock protects all fields in hchan, as well as several
   // fields in sudogs blocked on this channel.
   //
   // Do not change another G's status while holding this lock
   // (in particular, do not ready a G), as this can deadlock
   // with stack shrinking.
   lock mutex
}
type waitq struct {
    first *sudog
    last  *sudog
}

说明：

• qcount uint // 当前队列中剩余元素个数
• dataqsiz uint // 环形队列长度，即缓冲区的大小，即make（chan T，N），N.
• buf unsafe.Pointer // 环形队列指针
• elemsize uint16 // 每个元素的大小
• closed uint32 // 表示当前通道是否处于关闭状态。创建通道后，该字段设置为0，即通道打开; 通过调用close将其设置为1，通道关闭。
• elemtype *_type // 元素类型，用于数据传递过程中的赋值；
• sendx uint和recvx uint是环形缓冲区的状态字段，它指示缓冲区的当前索引 - 支持数组，它可以从中发送数据和接收数据。
• 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，为每个读写操作锁定通道，因为发送和接收必须是互斥操作。

这里sudog代表goroutine。

make chan

make函数在创建channel的时候会在该进程的heap区申请一块内存，创建一个hchan结构体，返回执行该内存的指针，所以获取的的ch变量本身就是一个指针，在函数之间传递的时候是同一个channel。

hchan结构体使用一个环形队列来保存groutine之间传递的数据(如果是缓存channel的话)，使用两个list保存像该chan发送和从该chan接收数据的goroutine，还有一个mutex来保证操作这些结构的安全。

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

这里我们先讨论带缓冲

ch := make(chan int, 3)

创建通道后的缓冲通道结构

hchan struct {
    qcount uint : 0 
    dataqsiz uint : 3 
    buf unsafe.Pointer : 0xc00007e0e0 
    elemsize uint16 : 8 
    closed uint32 : 0 
    elemtype *runtime._type : &{
        size:8 
        ptrdata:0 
        hash:4149441018 
        tflag:7 
        align:8 
        fieldalign:8 
        kind:130 
        alg:0x55cdf0 
        gcdata:0x4d61b4 
        str:1055 
        ptrToThis:45152
        }
    sendx uint : 0 
    recvx uint : 0 
    recvq runtime.waitq : 
        {first:<nil> last:<nil>}
    sendq runtime.waitq : 
        {first:<nil> last:<nil>}
    lock runtime.mutex : 
        {key:0}
}

源代码

func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
 
   elem := t.elem
   ...
}

如果我们创建一个带buffer的channel，底层的数据模型如下图：

发送和接受数据

向channel发送和从channel接收数据主要涉及hchan里的四个成员变量，借用Kavya ppt里的图示，来分析发送和接收的过程。

向channel写入数据

ch <- 3

底层hchan数据流程如图

发送操作概要

1、锁定整个通道结构。

2、确定写入。尝试recvq从等待队列中等待goroutine，然后将元素直接写入goroutine。

3、如果recvq为Empty，则确定缓冲区是否可用。如果可用，从当前goroutine复制数据到缓冲区。

4、如果缓冲区已满，则要写入的元素将保存在当前正在执行的goroutine的结构中，并且当前goroutine将在sendq中排队并从运行时挂起。

5、写入完成释放锁。

这里我们要注意几个属性buf、sendx、lock的变化。

流程图

从channel读取操作

几乎和写入操作相同

代码

func goRoutineA(a <-chan int) {
   val := <-a
   fmt.Println("goRoutineA received the data", val)
}

底层hchan数据流程如图

这里我们要注意几个属性buf、sendx、recvx、lock的变化。

读取操作概要

1. 先获取channel全局锁
2. 尝试sendq从等待队列中获取等待的goroutine，
3. 如有等待的goroutine，没有缓冲区，取出goroutine并读取数据，然后唤醒这个goroutine，结束读取释放锁。
4. 如有等待的goroutine，且有缓冲区（此时缓冲区已满），从缓冲区队首取出数据，再从sendq取出一个goroutine，将goroutine中的数据存入buf队尾，结束读取释放锁。
5. 如没有等待的goroutine，且缓冲区有数据，直接读取缓冲区数据，结束读取释放锁。
6. 如没有等待的goroutine，且没有缓冲区或缓冲区为空，将当前的goroutine加入recvq排队，进入睡眠，等待被写goroutine唤醒。结束读取释放锁。

流程图

recvq和sendq 结构

recvq和sendq基本上是链表，看起来基本如下

Goroutine Pause/Resume

goroutine是Golang实现的用户空间的轻量级的线程，有runtime调度器调度，与操作系统的thread有多对一的关系，相关的数据结构如下图:

其中M是操作系统的线程，G是用户启动的goroutine，P是与调度相关的context，每个M都拥有一个P，P维护了一个能够运行的goutine队列，用于该线程执行。

当G1向buf已经满了的ch发送数据的时候，当runtine检测到对应的hchan的buf已经满了，会通知调度器，调度器会将G1的状态设置为waiting, 移除与线程M的联系，然后从P的runqueue中选择一个goroutine在线程M中执行，此时G1就是阻塞状态，但是不是操作系统的线程阻塞，所以这个时候只用消耗少量的资源。

那么G1设置为waiting状态后去哪了？怎们去resume呢？我们再回到hchan结构体，注意到hchan有个sendq的成员，其类型是waitq，查看源码如下：

type hchan struct { 
    ... 
    recvq waitq // list of recv waiters 
    sendq waitq // list of send waiters 
    ... 
} 
// 
type waitq struct { 
    first *sudog 
    last *sudog 
} 

实际上，当G1变为waiting状态后，会创建一个代表自己的sudog的结构，然后放到sendq这个list中，sudog结构中保存了channel相关的变量的指针(如果该Goroutine是sender，那么保存的是待发送数据的变量的地址，如果是receiver则为接收数据的变量的地址，之所以是地址，前面我们提到在传输数据的时候使用的是copy的方式)

当G2从ch中接收一个数据时，会通知调度器，设置G1的状态为runnable，然后将加入P的runqueue里，等待线程执行.

wait empty channel

前面我们是假设G1先运行，如果G2先运行会怎么样呢？如果G2先运行，那么G2会从一个empty的channel里取数据，这个时候G2就会阻塞，和前面介绍的G1阻塞一样，G2也会创建一个sudog结构体，保存接收数据的变量的地址，但是该sudog结构体是放到了recvq列表里，当G1向ch发送数据的时候，runtime并没有对hchan结构体题的buf进行加锁，而是直接将G1里的发送到ch的数据copy到了G2 sudog里对应的elem指向的内存地址！

select

select就是用来监听和channel有关的IO操作，当 IO 操作发生时，触发相应的动作。

一个简单的示例如下

package main
 
import (
   "fmt"
   "time"
)
 
func goRoutineD(ch chan int, i int) {
   time.Sleep(time.Second * 3)
   ch <- i
}
func goRoutineE(chs chan string, i string) {
   time.Sleep(time.Second * 3)
   chs <- i
 
}
 
func main() {
   ch := make(chan int, 5)
   chs := make(chan string, 5)
 
   go goRoutineD(ch, 5)
   go goRoutineE(chs, "ok")
 
    select {
    case msg := <-ch:
        fmt.Println(" received the data ", msg)
    case msgs := <-chs:
        fmt.Println(" received the data ", msgs)
    default:
        fmt.Println("no data received ")
        time.Sleep(time.Second * 1)
    }
 
}

运行程序，因为当前时间没有到3s，所以select 选择defult

no data received

修改程序，我们注释掉default，并多执行几次结果为

received the data 5
 
received the data ok
 
received the data ok
 
received the data ok

select语句会阻塞，直到监测到一个可以执行的IO操作为止，而这里goRoutineD和goRoutineE睡眠时间是相同的，都是3s，从输出可看出，从channel中读出数据的顺序是随机的。

再修改代码，goRoutineD睡眠时间改成4s

func goRoutineD(ch chan int, i int) {
   time.Sleep(time.Second * 4)
   ch <- i
}

此时会先执行goRoutineE，select 选择case msgs := <-chs。

range

可以持续从channel读取数据，一直到channel被关闭，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。

package main
 
import (
   "fmt"
   "time"
)
 
func goRoutineD(ch chan int, i int) {
   for   i := 1; i <= 5; i++{
      ch <- i
   }
 
}
func chanRange(chanName chan int) {
   for e := range chanName {
      fmt.Printf("Get element from chan: %d\n", e)
      if len(chanName) <= 0 { // 如果现有数据量为0，跳出循环
            break
      }
   }
}
func main() {
   ch := make(chan int, 5)
   go goRoutineD(ch, 5)
   chanRange(ch)
 
}

结果：

Get element from chan: 1
Get element from chan: 2
Get element from chan: 3
Get element from chan: 4
Get element from chan: 5

死锁（deadlock）

指两个或两个以上的协程的执行过程中，由于竞争资源或由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象。

在非缓冲信道若发生只流入不流出，或只流出不流入，就会发生死锁。

下面是一些死锁的例子

1、

package main
 
func main() {
   ch := make(chan int)
   ch <- 3
}

上面情况，向非缓冲通道写数据会发生阻塞，导致死锁。解决办法创建缓冲区 ch := make(chan int，3)

2、

package main
 
import (
   "fmt"
)
 
func main() {
   ch := make(chan int)
   fmt.Println(<-ch)
}

向非缓冲通道读取数据会发生阻塞，导致死锁。 解决办法开启缓冲区，先向channel写入数据。

3、

package main
 
func main() {
   ch := make(chan int, 3)
   ch <- 3
   ch <- 4
   ch <- 5
   ch <- 6
}

写入数据超过缓冲区数量也会发生死锁。解决办法将写入数据取走。

死锁的情况有很多这里不再赘述。
还有一种情况，向关闭的channel写入数据，不会产生死锁，产生panic。

package main
 
func main() {
    ch := make(chan int, 3)
    ch <- 1
    close(ch)
    ch <- 2
}

解决办法别向关闭的channel写入数据。

参考文章

• Go channel 实现原理分析
• 深入理解Golang Channel