GoLang channel底层代码分析详解

type hchan struct {
	qcount   uint           // buf当前元素的数量
	dataqsiz uint           // buf的容量
	buf      unsafe.Pointer // channel缓冲区，一个循环数组
	elemsize uint16         // 元素大小
	closed   uint32         // channel关闭标记
	elemtype *_type         // element type
	sendx    uint           // 当下一次发送数据到channel时，数据存放到buf中的哪个index
	recvx    uint           // 当下一次从channel接收数据时，从buf的哪个index获取数据
	recvq    waitq          // 等待接收数据的goroutine列表，双向链表
	sendq    waitq          // 等待发送数据的goroutine列表，双向链表
	lock     mutex          // 互斥锁，发送和接收操作前需要获取的锁，所以channel的发送和接收操作是互斥的
}

type waitq struct {
	first *sudog
	last  *sudog
}

// sudog表示等待队列中的一个g，例如在一个channel中的发送/接收。
// sudog是必要的，因为g和同步对象的关系是多对多的，一个g可以在多个等待队列中，因此一个g会有很多个sudog，
// 很多g可能在等待着同一个同步对象，因此一个对象可能有多个sudog。
// sudog是从一个特殊的池中分配的，使用acquireSudog和releaseSudog分配和释放它们。
type sudog struct {
	// 以下字段受此sudog阻塞的channel的hchan.lock保护
	g *g
	next *sudog
	prev *sudog
	elem unsafe.Pointer // data element (may point to stack)
	// 以下字段永远不会被同时访问
	// 对于channel，waitlink只能被g访问
	// 对于信号量，所有字段（包括上述字段）只有在持有semaRoot锁时才能访问。
	acquiretime int64
	releasetime int64
	ticket      uint32
	// isSelect表示g正在参与选择，因此g.selectDone必须经过CAS处理，才能被唤醒
	isSelect bool
	// success表示通过channel c的通信是否成功。
	// 如果goroutine因为通过channel c传递了一个值而被唤醒，则为true
	// 如果因为c被关闭而唤醒，则为false
	success bool
	parent   *sudog // semaRoot binary tree
	waitlink *sudog // g.waiting list or semaRoot
	waittail *sudog // semaRoot
	c        *hchan // channel
}

// 无缓冲channel
ch := make(chan int)
// 缓冲大小为5的channel
ch2 := make(chan int, 5)

func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
	elem := t.elem
	// compiler checks this but be safe.
	if elem.size >= 1<<16 {
		throw("makechan: invalid channel element type")
	}
	if hchanSize%maxAlign != 0 || elem.align > maxAlign {
		throw("makechan: bad alignment")
	}
	mem, overflow := math.MulUintptr(elem.size, uintptr(size))
	if overflow || mem > maxAlloc-hchanSize || size < 0 {
		panic(plainError("makechan: size out of range"))
	}
	// Hchan does not contain pointers interesting for GC when elements stored in buf do not contain pointers.
	// buf points into the same allocation, elemtype is persistent.
	// SudoG's are referenced from their owning thread so they can't be collected.
	// TODO(dvyukov,rlh): Rethink when collector can move allocated objects.
	var c *hchan
	switch {
	case mem == 0:
		// 队列或元素大小为0，即无缓冲channel
		c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true))
		// Race detector uses this location for synchronization.
		c.buf = c.raceaddr()
	case elem.ptrdata == 0:
		// 元素不包含指针类型，只进行一次 hchan 和 buf 的内存分配
		// 当存储在buf中的元素不包含指针时，GC就不会扫描hchan中的元素
		c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true))
		c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)
	default:
		// 元素中包含指针类型，进行2次内存分配操作
		// 用new分配内存返回的是指针
		c = new(hchan)
		c.buf = mallocgc(mem, elem, true)
	}
	// 初始化channel数据
	c.elemsize = uint16(elem.size)
	c.elemtype = elem
	c.dataqsiz = uint(size)
	lockInit(&c.lock, lockRankHchan)
	if debugChan {
		print("makechan: chan=", c, "; elemsize=", elem.size, "; dataqsiz=", size, "\n")
	}
	// 返回 hchan 的指针类型
	return c
}

func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
	// 如果当前channel是nil
	if c == nil {
		// 如果不阻塞，则直接返回false
		if !block {
			return false
		}
		// 挂起当前goroutine
		gopark(nil, nil, waitReasonChanSendNilChan, traceEvGoStop, 2)
		throw("unreachable")
	}
	if debugChan {
		print("chansend: chan=", c, "\n")
	}
	if raceenabled {
		racereadpc(c.raceaddr(), callerpc, funcPC(chansend))
	}
	// 这里访问了hchan结构中的closed, full函数内部访问了dataqsiz,recvq,qcount字段，这里没有加锁，是为什么呢？
	// 先说说这里判断的含义：如果不阻塞，且channel没有被关闭，且buf已满，则快速返回false，表示数据发送失败。
	// 因为没有加锁，假如在判断c.closed == 0之后结果为true，在判断full之前，这时channel被其他goroutine关闭了，
	// 然后full函数返回了true，那么它会直接return false，这样子会有什么影响呢？
	// 其实并没有什么影响，在这种情况下返回false也是合理的，因为都是表示在不阻塞的情况下发送数据失败。
	// 所以这里访问hchan里面的数据就没有加锁了
	if !block && c.closed == 0 && full(c) {
		return false
	}
	var t0 int64
	if blockprofilerate > 0 {
		t0 = cputicks()
	}
	// 锁住channel，可见channel是并发安全的
	lock(&c.lock)
	// 如果channel已关闭，则panic
	if c.closed != 0 {
		unlock(&c.lock)
		panic(plainError("send on closed channel"))
	}
	// 如果recvq等待接收队列中有值，则直接把值传给等待接收的goroutine，这样可以减少一次内存拷贝
	if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {
		send(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
		return true
	}
	// 如果recvq等待接收队列中没有值，且为有缓冲channel，则把数据copy到buf中
	if c.qcount < c.dataqsiz {
		// Space is available in the channel buffer. Enqueue the element to send.
		qp := chanbuf(c, c.sendx)
		if raceenabled {
			racenotify(c, c.sendx, nil)
		}
		typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)
		c.sendx++
		// 因为buf是环形数组，所以如果sendx超出了最大index，就要归0
		if c.sendx == c.dataqsiz {
			c.sendx = 0
		}
		c.qcount++
		unlock(&c.lock)
		return true
	}
	// 如果recvq等待接收队列中没有值，且为无缓冲channel，且不阻塞，则直接返回false
	if !block {
		unlock(&c.lock)
		return false
	}
	// 接下来做阻塞当前goroutine的一些准备工作，构造一个sudog
	// 获取当前goroutine的指针
	gp := getg()
	mysg := acquireSudog()
	mysg.releasetime = 0
	if t0 != 0 {
		mysg.releasetime = -1
	}
	// No stack splits between assigning elem and enqueuing mysg
	// on gp.waiting where copystack can find it.
	mysg.elem = ep
	mysg.waitlink = nil
	mysg.g = gp
	mysg.isSelect = false
	mysg.c = c
	gp.waiting = mysg
	gp.param = nil
	// 把构建好的 sudog 加到 sendq 发送等待队列中
	c.sendq.enqueue(mysg)
	// Signal to anyone trying to shrink our stack that we're about
	// to park on a channel. The window between when this G's status
	// changes and when we set gp.activeStackChans is not safe for
	// stack shrinking.
	atomic.Store8(&gp.parkingOnChan, 1)
	// 挂起当前goroutine
	gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanSend, traceEvGoBlockSend, 2)
	// 如果当前 goroutine 被唤醒后，会在这里继续执行
	// Ensure the value being sent is kept alive until the
	// receiver copies it out. The sudog has a pointer to the
	// stack object, but sudogs aren't considered as roots of the
	// stack tracer.
	KeepAlive(ep)
	// someone woke us up.
	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)
	if closed {
		if c.closed == 0 {
			throw("chansend: spurious wakeup")
		}
		// 如果唤醒后，发现 channel 被关闭，则关闭
		panic(plainError("send on closed channel"))
	}
	return true
}

// 判断channel中是否还有位置存放数据
func full(c *hchan) bool {
	// 如果是非缓冲channel
	if c.dataqsiz == 0 {
		// 如果 recvq 中没有等待接收数据的 goroutine，则返回 true，表示已满，否则返回 false
		return c.recvq.first == nil
	}
	// 如果是有缓冲 channel，则判断buf是否已满
	return c.qcount == c.dataqsiz
}

// 在一个空的 channel c 中完成发送操作
// 把数据 ep 从发送者复制到接收者 sg 中
// 最后接收的 goroutine 会被唤醒
// channel c 一定是空的且被锁住的
// sg 一定是已经从 c 的 recvq 中出队了
// eq 一定是不等于 nil 的，且指向堆或者是调用者的栈
func send(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
	if raceenabled {
		if c.dataqsiz == 0 {
			racesync(c, sg)
		} else {
			// Pretend we go through the buffer, even though
			// we copy directly. Note that we need to increment
			// the head/tail locations only when raceenabled.
			racenotify(c, c.recvx, nil)
			racenotify(c, c.recvx, sg)
			c.recvx++
			if c.recvx == c.dataqsiz {
				c.recvx = 0
			}
			c.sendx = c.recvx // c.sendx = (c.sendx+1) % c.dataqsiz
		}
	}
	// sg.elem 指向接收者存放接收数据的存放的位置
	if sg.elem != nil {
		// 直接内存拷贝，从发送者拷贝到接收者内存
		sendDirect(c.elemtype, sg, ep)
		sg.elem = nil
	}
	gp := sg.g
	// 解锁
	unlockf()
	gp.param = unsafe.Pointer(sg)
	sg.success = true
	if sg.releasetime != 0 {
		sg.releasetime = cputicks()
	}
	// 唤醒接收数据的goroutine
	goready(gp, skip+1)
}

// 无返回值
func chanrecv1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {
	chanrecv(c, elem, true)
}
// 返回 bool 类型，如果返回false,表示 channel 已经被关闭，否则返回false。 
func chanrecv2(c *hchan, elem unsafe.Pointer) (received bool) {
	_, received = chanrecv(c, elem, true)
	return
}

// 从 channel c 中接收数据，并把数据复制到 ep 中。
// 在忽略接收数据的情况下，eq 可能是 nil，例如：<- ch
// 如果不阻塞，且 channel 中没有元素的情况下，直接快速返回(false, false)
// 如果 c 已经被关闭，*ep 为零值，怎返回(true, false)
// 如果 *ep 中有元素，则返回(true, true)
// 一个不等于 nil 的 eq 一定指向堆或者调用者的栈
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
	// raceenabled: don't need to check ep, as it is always on the stack
	// or is new memory allocated by reflect.
	if debugChan {
		print("chanrecv: chan=", c, "\n")
	}
	if c == nil {
		if !block {
			return
		}
		// 如果 c 为 nil，挂起当前 goroutine
		gopark(nil, nil, waitReasonChanReceiveNilChan, traceEvGoStop, 2)
		throw("unreachable")
	}
	// Fast path: check for failed non-blocking operation without acquiring the lock.
	// 在非阻塞模式下，快速检测接收失败的情况
	if !block && empty(c) {
		// 发现 channel 没有准备好要接收数据后，我们观察通道是否已经关闭。
		// 重新排序这些检查可能会导致在关闭时不正确的行为。
		// 例如，如果通道是open，且not empty，然后被关闭，接着排空->empty，
		// 重新排序的读取可能会错误地表示成”open和empty“。
		// 为了防止重排序，我们对这2个检查都使用原子加载，并依靠清空和关闭发生在同一个锁下的不同临界区。
		// 当关闭带有阻塞发送的非缓冲channel，此假设失败，但这无论如何都是错误的条件。
		if atomic.Load(&c.closed) == 0 {
			// 因为 channel 不能重新打开，所以在后面这里观察到 channel 没有被关闭，意味着它在第一次判断 empty 的时候也没有关闭。
			// 这样就表现得像在第一次判断 empty 时，通道也没有关闭：if empty(c) && atomic.Load(&c.closed) == 0 {...}
			return
		}
		// 当执行到这里的时候，说明 channel 已经被关闭了。
		// 这时重新检查通道是否还有其他待接收的数据，这些数据可能在第一次 empty 检查和通道关闭检查之间到达。
		// 在这种情况下发送时，也需要按照连贯的顺序。
		if empty(c) {
			// The channel is irreversibly closed and empty.
			if raceenabled {
				raceacquire(c.raceaddr())
			}
			if ep != nil {
				typedmemclr(c.elemtype, ep)
			}
			return true, false
		}
	}
	var t0 int64
	if blockprofilerate > 0 {
		t0 = cputicks()
	}
	// 获取锁
	lock(&c.lock)
	// 如果 channel c 已经被关闭，且 buf 中无元素，将获取到零值
	if c.closed != 0 && c.qcount == 0 {
		if raceenabled {
			raceacquire(c.raceaddr())
		}
		unlock(&c.lock)
		if ep != nil {
			typedmemclr(c.elemtype, ep)
		}
		return true, false
	}
	// 如果 sendq 中有元素
	if sg := c.sendq.dequeue(); sg != nil {
		// Found a waiting sender. If buffer is size 0, receive value
		// directly from sender. Otherwise, receive from head of queue
		// and add sender's value to the tail of the queue (both map to
		// the same buffer slot because the queue is full).
		// 找到一个正在等待的发送者。
		// 1.如果是无缓冲 channel，则直接把从发送者那里接收数据。
		// 2.如果是有缓冲 channel，这时 sendq 中有元素，说明 buf 满了，发送者需要等待消费者消费 buf 数据后才能继续发送数据。
		// 	 这时当前的 goroutine 会从 buf 的 recvx 位置接收数据，并且把刚刚获取到的发送者 sg 的发送数据拷贝到 buf 的 sendx 位置中。
		recv(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
		return true, true
	}
	// sendq 中没有等待的发送者，且 buf 中有数据，则直接从 buf 中接收数据
	if c.qcount > 0 {
		// Receive directly from queue
		qp := chanbuf(c, c.recvx)
		if raceenabled {
			racenotify(c, c.recvx, nil)
		}
		if ep != nil {
			typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
		}
		typedmemclr(c.elemtype, qp)
		c.recvx++
		if c.recvx == c.dataqsiz {
			c.recvx = 0
		}
		c.qcount--
		// 解锁
		unlock(&c.lock)
		return true, true
	}
	// 如果代码运行到这里，说明 channel 中没有数据可以接收了，接下来就要准备阻塞当前 goroutine 了
	// 如果不阻塞，则快速返回
	if !block {
		// 解锁
		unlock(&c.lock)
		return false, false
	}
	// no sender available: block on this channel.
	// 构造sudog
	// 获取当前 goroutine 指针
	gp := getg()
	mysg := acquireSudog()
	mysg.releasetime = 0
	if t0 != 0 {
		mysg.releasetime = -1
	}
	// No stack splits between assigning elem and enqueuing mysg
	// on gp.waiting where copystack can find it.
	mysg.elem = ep
	mysg.waitlink = nil
	gp.waiting = mysg
	mysg.g = gp
	mysg.isSelect = false
	mysg.c = c
	gp.param = nil
	// 把构造好的 sudog 入队 recvq
	c.recvq.enqueue(mysg)
	// Signal to anyone trying to shrink our stack that we're about
	// to park on a channel. The window between when this G's status
	// changes and when we set gp.activeStackChans is not safe for
	// stack shrinking.
	atomic.Store8(&gp.parkingOnChan, 1)
	// 挂起当前 goroutine
	gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanReceive, traceEvGoBlockRecv, 2)
	// 如果 goroutine 被唤醒，会从这里开始继续执行
	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
}

func empty(c *hchan) bool {
	// c.dataqsiz 是不会被改变的.
	if c.dataqsiz == 0 {
		return atomic.Loadp(unsafe.Pointer(&c.sendq.first)) == nil
	}
	return atomic.Loaduint(&c.qcount) == 0
}

// 这里分为 2 个部分：
// 1.发送者 sg 待发送的值会被放入通道 buf 中，发送者被唤醒继续执行
// 2.接收方（当前 goroutine）接收的值写入 ep
// 对于同步 channel（无缓冲），2 个值都是一样的
// 对于异步 channel（有缓冲），接收方从 channel buf 获取数据，发送方的数据放入 channel buf
// channel c 一定是满的，且已被锁定，recv 用 unlockf 解锁 channel c。
// sg 一定已经从 sendq 出队
// 不等于 nil 的 ep 一定指向堆或调用者的栈
func recv(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
	if c.dataqsiz == 0 {
		if raceenabled {
			racesync(c, sg)
		}
		if ep != nil {
			// 非缓冲 channel，直接从发送方接收数据
			recvDirect(c.elemtype, sg, ep)
		}
	} else {
		// 缓冲 channel，buf 已满
		// 先从 buf 队列头部接收数据，然后把获取出来的发送方数据入队
		qp := chanbuf(c, c.recvx)
		if raceenabled {
			racenotify(c, c.recvx, nil)
			racenotify(c, c.recvx, sg)
		}
		// 从 buf 中复制数据到接收方
		if ep != nil {
			typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
		}
		// 把发送方 sg 的数据复制到 buf 中
		typedmemmove(c.elemtype, qp, sg.elem)
		c.recvx++
		if c.recvx == c.dataqsiz {
			c.recvx = 0
		}
		c.sendx = c.recvx // c.sendx = (c.sendx+1) % c.dataqsiz
	}
	sg.elem = nil
	gp := sg.g
	// 解锁
	unlockf()
	gp.param = unsafe.Pointer(sg)
	sg.success = true
	if sg.releasetime != 0 {
		sg.releasetime = cputicks()
	}
	// 唤醒发送方 goroutine
	goready(gp, skip+1)
}