深入理解Golangchannel的应用
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前言
channel是用于 goroutine 之间的同步、通信的数据结构
channel 的底层是通过 mutex 来控制并发的，但它为程序员提供了更高一层次的抽象，封装了更多的功能，这样并发编程变得更加容易和安全，得以让程序员把注意力留到业务上去，提升开发效率
channel的用途包括但不限于以下几点：
- 协程间通信，同步
- 定时任务：和timer结合
- 解耦生产方和消费方，实现阻塞队列
- 控制并发数
本文将介绍channel的底层原理，包括数据结构，channel的创建，发送，接收，关闭的实现逻辑
整体结构
Go channel的数据结构如下所示：
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 mutex
}
qcount：已经存储了多少个元素
dataqsie：最多存储多少个元素，即缓冲区容量
buf：指向缓冲区的位置，实际上是一个数组
elemsize：每个元素占多大空间
closed：channel能够关闭，这里记录其关闭状态
elemtype：保存数据的类型信息，用于go运行时使用
sendx，recvx：
- 记录下一个要发送到的位置，下一次从哪里还是接收
- 这里用数组模拟队列，这两个变量即表示队列的队头，队尾
- 因此channel的缓冲也被称为环形缓冲区
recvq，sendq：
当发送个接收不能立即完成时，需要让协程在channel上等待，所以有两个等待队列，分别针对接收和发送
lock：channel支持协程间并发访问，因此需要一把锁来保护
创建
创建channel会被编译器编译为调用makechan函数
// 无缓冲通道
ch1 := make(chan int)
// 有缓冲通道
ch2 := make(chan int, 10)
会根据创建的是带缓存，还是无缓冲，决定第二个参数size的值
可以看出，创建出来的是hchan指针，这样就能在函数间直接传递 channel，而不用传递 channel 的指针
func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
elem := t.elem
// mem：缓冲区大小
mem, overflow := math.MulUintptr(elem.size, uintptr(size))
if overflow || mem > maxAlloc-hchanSize || size < 0 {
panic(plainError( "makechan: size out of range" ))
}
var c *hchan
switch {
// 缓冲区大小为空，只申请hchanSize大小的内存
case mem == 0:
c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true))
c.buf = c.raceaddr()
// 元素类型不包含指针，一次性分配hchanSize+mem大小的内存
case elem.ptrdata == 0:
c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true))
c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)
// 否则就是带缓存，且有指针，分配两次内存
default:
// Elements contain pointers.
c = new(hchan)
c.buf = mallocgc(mem, elem, true)
}
// 保存元素类型，元素大小，容量
c.elemsize = uint16(elem.size)
c.elemtype = elem
c.dataqsiz = uint(size)
lockInit(&c.lock, lockRankHchan)
return c
}
发送
执行以下代码时：
ch <- 3
编译器会转化为对chansend的调用
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
// 如果channel是空
if c == nil {
// 非阻塞，直接返回
if !block {
return false
}
// 否则阻塞当前协程
gopark(nil, nil, waitReasonChanSendNilChan, traceEvGoStop, 2)
throw( "unreachable" )
}
// 非阻塞，没有关闭，且容量满了，无法发送，直接返回
if !block && c.closed == 0 && full(c) {
return false
}
// 加锁
lock(&c.lock)
// 如果已经关闭，无法发送，直接panic
if c.closed != 0 {
unlock(&c.lock)
panic(plainError( "send on closed channel" ))
}
// 从接收队列弹出一个协程的包装结构sudog
if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {
// 如果能弹出，即有等到接收的协程，说明：
// 该channel要么是无缓冲，要么缓冲区为空，不然不可能有协程在等待
// 将要发送的数据拷贝到该协程的接收指针上
send(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
return true
}
// 缓冲区还有空间
if c.qcount < c.dataqsiz {
// qp：计算要发送到的位置的地址
qp := chanbuf(c, c.sendx)
// 将数据从ep拷贝到qp
typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)
// 待发送位置移动
c.sendx++
// 由于是数组模拟队列，sendx到顶了需要归零
if c.sendx == c.dataqsiz {
c.sendx = 0
}
// 缓冲区数量++
c.qcount++
unlock(&c.lock)
return true
}
// 往下就是缓冲区无数据，也没有等到接收协程的情况了
// 如果是非阻塞模式，直接返回
if !block {
unlock(&c.lock)
return false
}
// 将当前协程包装成sudog，阻塞到channel上
gp := getg()
mysg := acquireSudog()
mysg.releasetime = 0
if t0 != 0 {
mysg.releasetime = -1
}
mysg.elem = ep
mysg.waitlink = nil
mysg.g = gp
mysg.isSelect = false
mysg.c = c
gp.waiting = mysg
gp.param = nil
// 当前协程进入发送等待队列
c.sendq.enqueue(mysg)
atomic.Store8(&gp.parkingOnChan, 1)
gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanSend, traceEvGoBlockSend, 2)
// 被唤醒后从这里开始执行
KeepAlive(ep)
if mysg != gp.waiting {
throw( "G waiting list is corrupted" )
}
gp.waiting = nil
gp.activeStackChans = false
closed := !mysg.success
gp.param = nil
if mysg.releasetime > 0 {
blockevent(mysg.releasetime-t0, 2)
}
mysg.c = nil
releaseSudog(mysg)
// 被唤醒后发现channel关闭了，panic
if closed {
if c.closed == 0 {
throw( "chansend: spurious wakeup" )
}
panic(plainError( "send on closed channel" ))
}
return true
}
整体流程为：
如果当前操作为非阻塞，channel没有关闭，且容量满了，无法发送，直接返回
从接收队列弹出一个协程的包装结构sudog，如果能弹出，即有等到接收的协程，说明：
- 该channel要么是无缓冲，要么缓冲区为空，不然不可能有协程在等待
- 将要发送的数据拷贝到该协程的接收指针上，返回
- 这里直接从发送者拷贝到接收者的内存，而不是先把数据拷贝到缓冲区，再从缓冲区拷贝到接收者，节约了一次内存拷贝
否则看看缓冲区还有空间，如果有，将数据拷贝到缓冲区上，也返回
接下来就是既没有接收者等待，缓冲区也为空的情况，就需要将当前协程包装成sudog，阻塞到channel上
将协程阻塞到channel的等待队列时，将其包装成了sudog结构：
type sudog struct {
// 协程
g *g
// 前一个，后一个指针
next *sudog
prev *sudog
// 等到发送的数据在哪，等待从哪个位置接收数据
elem unsafe.Pointer
acquiretime int64
releasetime int64
ticket uint32
isSelect bool
success bool
parent *sudog // semaRoot binary tree
waitlink *sudog // g.waiting list or semaRoot
waittail *sudog // semaRoot
// 在哪个channel上等待
c *hchan // channel
}
其目的是：
- g本身没有存储前一个，后一个指针，需要用sudog结构包装才能加入队列
- elem字段存储等到发送的数据在哪，等待从哪个位置接收数据，用于从数据能从协程到协程的直接拷贝
来看看一些子函数：
1.判断channel是否是满的
func full(c *hchan) bool {
// 无缓冲
if c.dataqsiz == 0 {
// 并且没有其他协程在等待
return c.recvq.first == nil
}
// 有缓冲，但容量装满了
return c.qcount == c.dataqsiz
}
2.send方法：
func send(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
// 如果接收者指针不为空，直接把数据从ep拷贝到sg.elem
if sg.elem != nil {
sendDirect(c.elemtype, sg, ep)
sg.elem = nil
}
gp := sg.g
unlockf()
gp.param = unsafe.Pointer(sg)
sg.success = true
if sg.releasetime != 0 {
sg.releasetime = cputicks()
}
// 唤醒该接收者协程
goready(gp, skip+1)
}
接收
从channel中接收数据有几种写法：
- 带不带ok
- 接不接收返回值
根据带不带ok，决定用下面哪个方法
func chanrecv1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {
chanrecv(c, elem, true)
}
func chanrecv2(c *hchan, elem unsafe.Pointer) (received bool) {
_, received = chanrecv(c, elem, true)
return
}
根据接不接收返回值，决定elem是不是nil
最终都会调用chanrecv方法：
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
// 如果channel为nil，根据参数中是否阻塞来决定是否阻塞
if c == nil {
if !block {
return
}
gopark(nil, nil, waitReasonChanReceiveNilChan, traceEvGoStop, 2)
throw( "unreachable" )
}
// 非阻塞，并且channel为空
if !block && empty(c) {
// 如果还没关闭，直接返回
if atomic.Load(&c.closed) == 0 {
return
}
// 否则已经关闭，
// 如果为空，返回该类型的零值
if empty(c) {
if ep != nil {
typedmemclr(c.elemtype, ep)
}
return true, false
}
}
lock(&c.lock)
// 同样，如果channel已经关闭，且缓冲区没有元素，返回该类型零值
if c.closed != 0 && c.qcount == 0 {
unlock(&c.lock)
if ep != nil {
typedmemclr(c.elemtype, ep)
}
return true, false
}
// 如果有发送者正在阻塞，说明：
// 1.无缓冲
// 2.有缓冲，但缓冲区满了。因为只有缓冲区满了，才可能有发送者在等待
if sg := c.sendq.dequeue(); sg != nil {
// 将数据从缓冲区拷贝到ep，再将sg的数据拷贝到缓冲区，该函数详细流程可看下文
recv(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
return true, true
}
// 如果缓存区有数据，
if c.qcount > 0 {
// qp为缓冲区中下一次接收的位置
qp := chanbuf(c, c.recvx)
// 将数据从qp拷贝到ep
if ep != nil {
typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
}
typedmemclr(c.elemtype, qp)
c.recvx++
if c.recvx == c.dataqsiz {
c.recvx = 0
}
c.qcount--
unlock(&c.lock)
return true, true
}
// 接下来就是既没有发送者在等待，也缓冲区也没数据
if !block {
unlock(&c.lock)
return false, false
}
// 将当前协程包装成sudog，阻塞到channel中
gp := getg()
mysg := acquireSudog()
mysg.releasetime = 0
if t0 != 0 {
mysg.releasetime = -1
}
// 记录接收地址
mysg.elem = ep
mysg.waitlink = nil
gp.waiting = mysg
mysg.g = gp
mysg.isSelect = false
mysg.c = c
gp.param = nil
c.recvq.enqueue(mysg)
atomic.Store8(&gp.parkingOnChan, 1)
gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanReceive, traceEvGoBlockRecv, 2)
// 从这里唤醒
if mysg != gp.waiting {
throw( "G waiting list is corrupted" )
}
gp.waiting = nil
gp.activeStackChans = false
if mysg.releasetime > 0 {
blockevent(mysg.releasetime-t0, 2)
}
success := mysg.success
gp.param = nil
mysg.c = nil
releaseSudog(mysg)
return true, success
}
接收流程如为：
如果channel为nil，根据参数中是否阻塞来决定是否阻塞
如果channel已经关闭，且缓冲区没有元素，返回该类型零值
如果有发送者正在阻塞，说明：
- 要么是无缓冲
- 有缓冲，但缓冲区满了。因为只有缓冲区满了，才可能有发送者在等待
- 将数据从缓冲区拷贝到ep，再将发送者的数据拷贝到缓冲区，并唤该发送者
如果缓存区有数据， 则从缓冲区将数据复制到ep，返回
接下来就是既没有发送者在等待，也缓冲区也没数据的情况：
将当前协程包装成sudog，阻塞到channel中
来看其中的子函数recv()：
func recv(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
// 如果是无缓冲channel，直接将数据从发送者sg拷贝到ep
if c.dataqsiz == 0 {
if ep != nil {
recvDirect(c.elemtype, sg, ep)
}
// 接下来是有缓冲，且缓冲区满的情况
} else {
// qp为channel缓冲区中，接收者下一次接收的地址
qp := chanbuf(c, c.recvx)
// 将数据从qp拷贝到ep
if ep != nil {
typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
}
// 将发送者的数据从sg.elem拷贝到qp
typedmemmove(c.elemtype, qp, sg.elem)
c.recvx++
if c.recvx == c.dataqsiz {
c.recvx = 0
}
// 由于一接收已发送，缓冲区还是满的，因此 c.sendx = c.recvx
c.sendx = c.recvx
}
sg.elem = nil
gp := sg.g
unlockf()
gp.param = unsafe.Pointer(sg)
sg.success = true
if sg.releasetime != 0 {
sg.releasetime = cputicks()
}
// 唤醒发送者
goready(gp, skip+1)
}
关闭
func closechan(c *hchan) {
// 不能关闭空channel
if c == nil {
panic(plainError( "close of nil channel" ))
}
lock(&c.lock)
// 不能重复关闭
if c.closed != 0 {
unlock(&c.lock)
panic(plainError( "close of closed channel" ))
}
// 修改关闭状态
c.closed = 1
var glist gList
// 释放所有的接收者协程，并为它们赋予零值
for {
sg := c.recvq.dequeue()
if sg == nil {
break
}
if sg.elem != nil {
typedmemclr(c.elemtype, sg.elem)
sg.elem = nil
}
if sg.releasetime != 0 {
sg.releasetime = cputicks()
}
gp := sg.g
gp.param = unsafe.Pointer(sg)
sg.success = false
glist.push(gp)
}
// 释放所有的发送者协程
for {
sg := c.sendq.dequeue()
if sg == nil {
break
}
sg.elem = nil
if sg.releasetime != 0 {
sg.releasetime = cputicks()
}
gp := sg.g
gp.param = unsafe.Pointer(sg)
sg.success = false
glist.push(gp)
}
unlock(&c.lock)
// 执行唤醒操作
for !glist.empty() {
gp := glist.pop()
gp.schedlink = 0
goready(gp, 3)
}
}
关闭的流程比较简单，可以看出：
不能关闭空channel，不能重复关闭channel
先上一把大锁，接着把所有挂在这个 channel 上的 sender 和 receiver 全都连成一个 sudog 链表，再解锁。最后，再将所有的 sudog 全都唤醒：
接收者：会收到该类型的零值
这里返回零值没有问题，因为之所以这些接收者会阻塞，就是因为缓冲区没有数据，因此channel关闭后该接收者收到零值也符合逻辑
发送者：会被唤醒，然后panic
因此不能在有多个sender的时候贸然关闭channel
以上就是深入理解Golang channel的应用的详细内容，更多关于Golang channel的资料请关注编程网其它相关文章！
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