Golang中的channel分析

一、channel

1、实现

使用ch := make(chan int, 5)创建一个有缓冲的channel之后，ch变成函数栈帧上的一个指针，指向堆上的实际hcann数据结构。

channel往往用于协程间的并发访问，所以要有一把锁锁住整个数据结构。

对于上述有缓冲channel需要知道的信息有：
1、已经存储的元素
2、最多存储的元素
3、每个元素占多大空间

所以channel缓冲区用一个数组实现。并且有缓冲区支持交替读写数据，因此需要两个值记录读写下标的位置。

当读和写不能立即完成。要让当前channel的协程等待，待到可以读写的时候，要能立即唤醒等待的协程。所以要有两个等待队列，分别对应读写操作，也就是发送和接受队列。

另外channel还有记录channel本身是否关闭的状态。因此channel底层的数据结构hchan结构体应该包括：类型信息，元素占用空间，元素大小，容量，发送和接受的下标值，两个等待队列，锁以及关闭状态等信息。

2、发送数据

创建ch := make(chan int, 5)则会创建一个大小为5的缓冲区。协程g1持续向缓冲区写入数据比如：

ch <- 1
ch <- 2
ch <- 3
ch <- 4
ch <- 5
ch <- 6

过程如图：

最后发送到6次数据，但是缓冲区容量只有5，缓冲区的写下标sendx会回到缓冲区首部读下标recvx的位置0，第六个元素就无处可放。发送数的协程g1就会进入ch的发送等待队列sendq中。如下图

队列是基于链表实现，生成链表节点sudogo加入链表，节点信息包括：哪个协程在等待，等待的是哪个channel，等待发送的数据在哪等信息。
当有新的协程从缓冲区读取数据，读下标会前移，空出了新的缓冲区就会唤醒加入等待队列的协程g1，g1退出队列执行ch <- 6操作，把数据写入缓冲区0号位置，所以其实channel的缓冲区是一个环形缓冲区。

所以对于写操作时候发送数据的协程不阻塞情况有：
1、缓冲区还有空闲位置
2、有协程在等待从缓冲区接收数据

对于写操作时候发送数据的协程阻塞情况有：
1、channel为nil
2、无缓冲区且没有协程等待接收数据
3、有缓冲区，但是已用尽

为了不阻塞可以使用select机制，代码如下：

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

进入select，如果检测到channel可以发送数据，执行case分支，如果不能发送数据会产生阻塞，则会进入default分支。

3、接收数据

接收数据的写法更多
1、<- ch：会将读出的结果丢弃
2、 v := <- ch：结果赋值为变量v
3、v, ok := <- ch: ok为false时候，表示ch关闭，v为channel元素类型的0值

只有在缓冲区有数据和有协程往缓冲区发送数据才不会阻塞。如果出现以下情况则会读协程发生阻塞：
1、ch为nil
2、无缓冲也无发送协程
3、有缓冲，缓冲区无数据

为了不阻塞也可以使用select机制。

二、多路select

1、select实现

以上读写操作中的select中，只有一个case分支，只针对一个channel。多路select指的就是存在两个及以上的case分支。每个分支可以使一个channel的发送或者接受操作。比如

var a, b int
b = 10
select {
    case a = <- ch1;
    case ch2 <- b;
    default;
}

把执行上述多路select的协程称为g1，编译器会将多路select转换为对底层runtime.selectgo函数的调用，函数调用中有很多参数，比如数组cas0， 数组order0以及其他参数。

• 数组cas0：数组中存放select中的所有case分支，send在前，recv在后。
• order0数组：指向uint16类型的数组，数组容量为cas0的两倍，被用作两个数组。用来保存对case内channel轮训的顺以及加锁的顺序。轮训需要乱序保证公平性，确定加锁顺序避免死锁。
• 其他参数：包括发送分支数目nsends以及接受分支数目nrecvs，以及记录select是否需要阻塞的值block，如果有default则不会被阻塞，没有则会被阻塞。
• 函数返回值：另外函数调用也有返回值，第一个返回值为int类型对哪一个case分支被执行，如果执行default分支，则返回-1。第二个返回值为bool类型用于执行channel分支的操作时候，表示分支channel返回真实数据还是channel关闭。

2、多路select处理逻辑

按序加锁+乱序轮训：
多路select需要进行轮训确定哪个case分支可以操作，轮训前需要先按照顺序对case中的所有channel有序加锁。然后按照乱序的轮询顺序检查channel的等待队列和缓冲区。

挂起等待+ 按序解锁：
假如检查到ch1，如果ch1中的缓冲区有数据可读，则进入对应case分支，当前协程g1拷贝数据开始执行。
假如所有channel都无法执行，就把当前协程加入到select中所有case中channel的对应发送或者接受队列中，阻塞等待。然后g1会挂起，按序解锁所有channel对应的锁。

按序加锁+离开队列+上锁+返回：
假如接下来有数据可用，g1的就会被唤醒执行对应分支。执行之后，将自己再次按序加锁，接着从对应的队列中将自己移除，再次对channel上锁后返回。

三、应用及问题

1、生产者消费者模型

channel可以用来作为两个协程通信，常用的应用比如生产者消费者模型，上游的生产者生产数据写入缓冲区，下游的消费者从缓冲区中读取数据，这个缓冲区可以用channel实现。从而解决了并发，解耦和缓存等问题。
比如实际应用中，同时访问同一个公共区域，同时进行不同的操作。都可以划分为生产者消费者模型，比如订单系统。很多用户的订单下达之后，放入缓冲区或者队列中，然后系统从缓冲区中去读来真正处理。系统不必开辟多个线程来对应处理多个用户的订单，减少系统并发的负担。通过生产者消费者模式，将订单系统与仓库管理系统隔离开，且用户可以随时下单(生产数据)。如果订单系统直接调用仓库系统，那么用户单击下订单按钮后，要等到仓库系统的结果返回。这样速度会很慢。
也就是：用户变成了生产者，处理订单管理系统变成了消费者。

相关链接：生产者消费者模型及go实现

2、内存泄漏

在一.2，一.3中的对缓冲读写操作都需要协程执行，但是如果协程创建之后，因为缓冲区空或者死锁等情况，协程阻塞持续不释放，go很难判断这些阻塞是人为的还是出现故障，也难判断这些协程的阻塞是暂时的还是永久的，所以不会主动去释放阻塞的协程而造成永久阻塞，而程序还在不断创建新的协程，就会造成内存持续泄漏，严重的话最终程序崩溃。

四、总结

主要介绍了如下：

• channel的底层数据结构对应哪些信息
• channel中缓冲区其实是环状缓冲区以及等待队列
• 读写下的阻塞和非阻塞操作
• 多路select的用法和处理逻辑

注：以上仅作为幼麟实验室Golang学习笔记，总结有错误谅解。视频链接