深入浅出Golang中select的实现原理

2024-04-02 19:55

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概述

在go语言中，select语句就是用来监听和channel有关的IO操作，当IO操作发生时，触发相应的case操作，有了select语句，可以实现main主线程与goroutine线程之间的互动。需要的朋友可以参考以下内容，希望对大家有帮助。

select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(包含default，default实际上是一种特殊的case)，select执行过程可以看成一个函数，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。

执行流程

在默认的情况下，select 语句会在编译阶段经过如下过程的处理：

将所有的 case 转换成包含 Channel 以及类型等信息的 scase 结构体；
调用运行时函数 selectgo 获取被选择的scase 结构体索引，如果当前的 scase 是一个接收数据的操作，还会返回一个指示当前case 是否是接收的布尔值；
通过 for 循环生成一组 if 语句，在语句中判断自己是不是被选中的 case。

case数据结构

select控制结构中case使用了scase结构体来表示，源码包class="lazy" data-src/runtime/select.go:scase定义了表示case语句的数据结构：

type scase struct {
    c           *hchan
    elem        unsafe.Pointer
    kind        uint16
    pc          uintptr
    releasetime int64
}

scase.c：由于非default的case中都与channel的发送和接收数据有关，所以在scase结构体中也包含一个c字段用于存储case中使用的channel，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。

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：

const (
    caseNil = iota
    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
)

scase.elem:用于接收或者发送数据的变量地址，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；

执行select

在运行期间会调用selectgo()函数，这个函数主要作用是从select控制结构中的多个case中选择一个需要执行的case，随后的多个 if 条件语句就会根据 selectgo() 的返回值执行相应的语句。

运行时源码包class="lazy" data-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) {
    cas1 := (*[1 << 16]scase)(unsafe.Pointer(cas0))
    order1 := (*[1 << 17]uint16)(unsafe.Pointer(order0))

    scases := cas1[:ncases:ncases]
    pollorder := order1[:ncases:ncases]
    lockorder := order1[ncases:][:ncases:ncases]

    for i := range scases {
        cas := &scases[i]
        if cas.c == nil && cas.kind != caseDefault {
            *cas = scase{}
        }
    }

    for i := 1; i < ncases; i++ {
        j := fastrandn(uint32(i + 1))
        pollorder[i] = pollorder[j]
        pollorder[j] = uint16(i)
    }

    // sort the cases by Hchan address to get the locking order.
    // ...
    
    sellock(scases, lockorder)

    // ...
}

selectgo 函数首先会进行执行一些初始化操作，也就是决定处理 case 的两个顺序，其中一个是 pollOrder 另一个是 lockOrder。

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：

int：选中case的编号，这个case编号跟代码一致
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。

循环

当 select 语句确定了轮询和锁定的顺序并锁定了所有的 Channel 之后就会开始进入 select的主循环，查找或者等待 Channel 准备就绪，循环中会遍历所有的 case 并找到需要被唤起的sudog 结构体。

func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, ncases int) (int, bool) {
    // ...
    gp = getg()
    nextp = &gp.waiting
    for _, casei := range lockorder {
        casi = int(casei)
        cas = &scases[casi]
        if cas.kind == caseNil {
            continue
        }
        c = cas.c
        sg := acquireSudog()
        sg.g = gp
        sg.isSelect = true
        sg.elem = cas.elem
        sg.c = c
        *nextp = sg
        nextp = &sg.waitlink

        switch cas.kind {
        case caseRecv:
            c.recvq.enqueue(sg)

        case caseSend:
            c.sendq.enqueue(sg)
        }
    }

    gp.param = nil
    gopark(selparkcommit, nil, waitReasonSelect, traceEvGoBlockSelect, 1)

    // ...
}

在这段循环的代码中，我们会分四种不同的情况处理 select 中的多个 case：

caseNil — 当前 case 不包含任何的 Channel，就直接会被跳过；

caseRecv — 当前 case 会从 Channel 中接收数据；

如果当前 Channel 的 sendq 上有等待的 Goroutine 就会直接跳到 recv 标签所在的代码段，从 Goroutine 中获取最新发送的数据；
如果当前 Channel 的缓冲区不为空就会跳到 bufrecv 标签处从缓冲区中获取数据；
如果当前 Channel 已经被关闭就会跳到rclose 做一些清除的收尾工作；

caseSend — 当前 case 会向 Channel 发送数据；

如果当前 Channel 已经被关闭就会直接跳到 rclose 代码段；
如果当前 Channel 的 recvq 上有等待的 Goroutine 就会跳到 send 代码段向 Channel 直接发送数据；

caseDefault — 表示默认情况，如果循环执行到了这种情况就表示前面的所有case 都没有被执行，所以这里会直接解锁所有的 Channel 并退出 selectgo 函数，这时也就意味着当前 select 结构中的其他收发语句都是非阻塞的。

总结

通过以上内容我们简单的了解了select结构的执行过程与实现原理，首先在编译期间，Go 语言会对 select 语句进行优化，对于空的select语句会直接转换成block函数的调用，直接挂起当前Goroutine，如果select语句中只包含一个case，就会被转换成if ch == nil {block}; n; 表达式。然后执行case结构体中内容。

在运行时会执行selectgo函数，随机生成一个遍历的轮询顺序pollOrder并根据Channel地址生成一个用于遍历的锁定顺序lockOrder；然后根据pollOrder遍历所有的case查看是否有可以处理的Channel消息，如果有消息就直接获取case对应的索引并返回。如果没有消息就会创建sudog结构体，将当前 Goroutine 加入到所有相关 Channel 的sendq 和 recvq 队列中并调用 gopark 触发调度器的调度；