go select原理

目录

• 1. 前言
• 2. 一些常见使用场景
• 3. 实现原理
  • 3.1程序结构
  • 3.2 select实现逻辑
• 4. 总结

1. 前言

select是Golang在语言层面提供的多路IO复用的机制，可以检测多个channel是否准备就绪(即是否可读或可写)。

本节试图通过源码总结其实现原理，从而发现一些使用误区或解释一些不常见的现象

2. 一些常见使用场景

1. 当程序中使用多个case语句时，会随机选择一个进行执行

   package main
   
   import (
       "fmt"
       "time"
   )
   
   func main() {
       chan1 := make(chan int)
       chan2 := make(chan int)
   
       go func() {
           chan1 <- 1
           time.Sleep(5 * time.Second)
       }()
   
       go func() {
           chan2 <- 1
           time.Sleep(5 * time.Second)
       }()
   
       select {
       case <-chan1:
           fmt.Println("chan1 ready.")
       case <-chan2:
           fmt.Println("chan2 ready.")
       default:
           fmt.Println("default")
       }
   
       fmt.Println("main exit.")
   }
   

   代码中，声明两个channel， chan1,chan2, 一次启动两个goroutine,分别向两个chan中写入一个数据后sleep。select语句的两个case分别坚持chan1,chan2是否可读，default用来执行默认语句

   多次运行发现：select 中各个case执行顺序时随机的 ， 如果某个case中的channel已经ready，则执行相应的语句并退出select流程

   如果所有case中的channel都未ready，则执行default中的语句然后退出select流程。

   另外，由于启动的 协程和select语句并不能保证执行顺序，所以也有可能select执行时协程还未向channel中写入数据，所以select直接执行default语句并退出。所以，以下三种输出都有可能：

   可能的输出：

   # 可能的输出1
   chan1 ready.
   main exit.
   
   # 可能的输出2
   chan2 ready.
   main exit.
   
   # 可能的输出3
   default
   main exit.
   

2. 当select多个case,没有default分支时，如果每一个case都没有准备好，select语句将处于永远阻塞状态。

   package main
   
   import (
       "fmt"
       "time"
   )
   
   func main() {
       chan1 := make(chan int)
       chan2 := make(chan int)
   
       writeFlag := false
       go func() {
          
           for {
                // 由于withFlag永远为false，所以chan1 永远不会有值写入
               if writeFlag {
                   chan1 <- 1
               }
               time.Sleep(time.Second)
           }
       }()
   
       go func() {
           for {
               if writeFlag {
                   chan2 <- 1
               }
               time.Sleep(time.Second)
           }
       }()
   
       select {
       // chan虽然准备好了接收操作，但是由于无数据写入，所以次case处于阻塞
       case <-chan1: 
           fmt.Println("chan1 ready.")
       // chan2同1一样，也处于阻塞
       case <-chan2:
           fmt.Println("chan2 ready.")
       }
   
       fmt.Println("main exit.")
   }
   

   说明: 见代码注释，程序会一直处于阻塞状态，没有任何输出

3. 关闭通道后，也能继续读取通道里的数据，不会报错，对于有缓存的通道channel，读取的是最先传入的数据，对于无缓冲的通道如果缓冲种没有数据，会读取通道类型的零值。

   package main
   
   import (
       "fmt"
   )
   
   func main() {
       chan1 := make(chan int)
       chan2 := make(chan int)
   
       go func() {
           close(chan1)
       }()
   
       go func() {
           close(chan2)
       }()
   
       select {
       case <-chan1:
           fmt.Println("chan1 ready.")
       case <-chan2:
           fmt.Println("chan2 ready.")
       }
   

   说明：会随机输出

4. 当程序种没有协程运行时空的select会引起异常，如果有协程，则可以阻止程序退出，使程序处于挂起状态

   package main
   
   func main() {
      
       select {
       }
   }
   

   说明：程序会报错

   package main
   
   import "fmt"
   import "time"
   
   func main() {
       go func(){
           count:=1
           for {
               count++
               time.sleep(time.Second)
               fmt.Println("count:",count)
           }
       }()   
       select {}
   }
   

   说明：程序不会退出，程序以deamon模式一直后台运行

3. 实现原理

golang实现select时，定义了一个数据结构表示每个case语句(含defaut，default实际上是一种特殊的case)，select执行过程可以类比成一个函数，函数输入case数组，输出选中的case，然后程序流程转到选中的case块

3.1程序结构

1. 源码包src/runtime/select.go:scase定义了表示case语句的数据结构：

   type scase struct {
       c           *hchan         // chan
       kind        uint16
       elem        unsafe.Pointer // data element
   }
   

2. scase.c为当前case语句所操作的channel指针，这也说明了一个case语句只能操作一个channel。

3. scase.kind表示该case的类型，分为读channel、写channel和default，三种类型分别由常量定义：

   • caseRecv：case语句中尝试读取scase.c中的数据；
   • caseSend：case语句中尝试向scase.c中写入数据；
   • caseDefault： default语句

4. scase.elem表示缓冲区地址，根据scase.kind不同，有不同的用途：

   • scase.kind == caseRecv ： scase.elem表示读出channel的数据存放地址；
   • scase.kind == caseSend ： scase.elem表示将要写入channel的数据存放地址；

3.2 select实现逻辑

源码包src/runtime/select.go:selectgo()定义了select选择case的函数：

func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, ncases int) (int, bool)

函数参数：

• cas0为scase数组的首地址，selectgo()就是从这些scase中找出一个返回。
• order0为一个两倍cas0数组长度的buffer，保存scase随机序列pollorder和scase中channel地址序列lockorder
  • pollorder：每次selectgo执行都会把scase序列打乱，以达到随机检测case的目的。
  • lockorder：所有case语句中channel序列，以达到去重防止对channel加锁时重复加锁的目的。
    ncases表示scase数组的长度

函数返回值：

1. int: 选中case的编号， 这个case编号跟代码一致
2. bool: 是否成功从channle中读取了数据，如果选中的case是从channel中读数据，则该返回值表示是否读取成功。

selectgo实现伪代码如下：

func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, ncases int) (int, bool) {
    //1. 锁定scase语句中所有的channel
    //2. 按照随机顺序检测scase中的channel是否ready
    //   2.1 如果case可读，则读取channel中数据，解锁所有的channel，然后返回(case index, true)
    //   2.2 如果case可写，则将数据写入channel，解锁所有的channel，然后返回(case index, false)
    //   2.3 所有case都未ready，则解锁所有的channel，然后返回（default index, false）
    //3. 所有case都未ready，且没有default语句
    //   3.1 将当前协程加入到所有channel的等待队列
    //   3.2 当将协程转入阻塞，等待被唤醒
    //4. 唤醒后返回channel对应的case index
    //   4.1 如果是读操作，解锁所有的channel，然后返回(case index, true)
    //   4.2 如果是写操作，解锁所有的channel，然后返回(case index, false)
}

特别说明：对于读channel的case来说，如case elem, ok := <-chan1:, 如果channel有可能被其他协程关闭的情况下，一定要检测读取是否成功，因为close的channel也有可能返回，此时ok == false。

4. 总结

1. select语句中除default外，每个case操作一个channel，要么读要么写
2. select语句中除default外，各case执行顺序是随机的
3. select语句中如果没有default语句，则会阻塞等待任一case
4. select语句中读操作要判断是否成功读取，关闭的channel也可以读取