Go底层channel实现原理及示例详解

概念:

Go中的channel 是一个队列,遵循先进先出的原则,负责协程之间的通信(Go 语言提倡不要通过共享内存来通信,而要通过通信来实现内存共享,CSP(Communicating Sequential Process)并发模型,就是通过 goroutine 和 channel 来实现的)

使用场景:

停止信号监听

定时任务

生产方和消费方解耦

控制并发数

底层数据结构:

通过var声明或者make函数创建的channel变量是一个存储在函数栈帧上的指针,占用8个字节,指向堆上的hchan结构体

源码包中src/runtime/chan.go定义了hchan的数据结构:

Go底层channel实现原理及示例详解_第1张图片

hchan结构体:

type hchan struct {
 closed   uint32   // channel是否关闭的标志
 elemtype *_type   // channel中的元素类型
 // channel分为无缓冲和有缓冲两种。
 // 对于有缓冲的channel存储数据,使用了 ring buffer(环形缓冲区) 来缓存写入的数据,本质是循环数组
 // 为啥是循环数组?普通数组不行吗,普通数组容量固定更适合指定的空间,弹出元素时,普通数组需要全部都前移
 // 当下标超过数组容量后会回到第一个位置,所以需要有两个字段记录当前读和写的下标位置
 buf      unsafe.Pointer // 指向底层循环数组的指针(环形缓冲区)
 qcount   uint           // 循环数组中的元素数量
 dataqsiz uint           // 循环数组的长度
 elemsize uint16                 // 元素的大小
 sendx    uint           // 下一次写下标的位置
 recvx    uint           // 下一次读下标的位置
 // 尝试读取channel或向channel写入数据而被阻塞的goroutine
 recvq    waitq  // 读等待队列
 sendq    waitq  // 写等待队列
 lock mutex //互斥锁,保证读写channel时不存在并发竞争问题
}

等待队列:

双向链表,包含一个头结点和一个尾结点

每个节点是一个sudog结构体变量,记录哪个协程在等待,等待的是哪个channel,等待发送/接收的数据在哪里

type waitq struct {
   first *sudog
   last  *sudog
}
type sudog struct {
    g *g
    next *sudog
    prev *sudog
    elem unsafe.Pointer 
    c        *hchan 
    ...
}

操作:

创建

使用 make(chan T, cap) 来创建 channel,make 语法会在编译时,转换为 makechan64 和 makechan

func makechan64(t *chantype, size int64) *hchan {
    if int64(int(size)) != size {
        panic(plainError("makechan: size out of range"))
    }
    return makechan(t, int(size))
}

创建channel 有两种,一种是带缓冲的channel,一种是不带缓冲的channel

// 带缓冲
ch := make(chan int, 3)
// 不带缓冲
ch := make(chan int)

创建时会做一些检查:

  • 元素大小不能超过 64K
  • 元素的对齐大小不能超过 maxAlign 也就是 8 字节
  • 计算出来的内存是否超过限制

创建时的策略:

  • 如果是无缓冲的 channel,会直接给 hchan 分配内存
  • 如果是有缓冲的 channel,并且元素不包含指针,那么会为 hchan 和底层数组分配一段连续的地址
  • 如果是有缓冲的 channel,并且元素包含指针,那么会为 hchan 和底层数组分别分配地址

发送

发送操作,编译时转换为runtime.chansend函数

func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool 

阻塞式:

调用chansend函数,并且block=true

ch <- 10

非阻塞式:

调用chansend函数,并且block=false

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

向 channel 中发送数据时大概分为两大块:检查和数据发送,数据发送流程如下:

如果 channel 的读等待队列存在接收者goroutine

  • 将数据直接发送给第一个等待的 goroutine, 唤醒接收的 goroutine

如果 channel 的读等待队列不存在接收者goroutine

  • 如果循环数组buf未满,那么将会把数据发送到循环数组buf的队尾
  • 如果循环数组buf已满,这个时候就会走阻塞发送的流程,将当前 goroutine 加入写等待队列,并挂起等待唤醒

接收

发送操作,编译时转换为runtime.chanrecv函数

func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) 

阻塞式:

调用chanrecv函数,并且block=true

 
 

非阻塞式:

调用chanrecv函数,并且block=false

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

向 channel 中接收数据时大概分为两大块,检查和数据发送,而数据接收流程如下:

如果 channel 的写等待队列存在发送者goroutine

  • 如果是无缓冲 channel,直接从第一个发送者goroutine那里把数据拷贝给接收变量,唤醒发送的 goroutine
  • 如果是有缓冲 channel(已满),将循环数组buf的队首元素拷贝给接收变量,将第一个发送者goroutine的数据拷贝到 buf循环数组队尾,唤醒发送的 goroutine

如果 channel 的写等待队列不存在发送者goroutine

  • 如果循环数组buf非空,将循环数组buf的队首元素拷贝给接收变量
  • 如果循环数组buf为空,这个时候就会走阻塞接收的流程,将当前 goroutine 加入读等待队列,并挂起等待唤醒

关闭

关闭操作,调用close函数,编译时转换为runtime.closechan函数

close(ch)
func closechan(c *hchan) 

案例分析:

package main
import (
    "fmt"
    "time"
    "unsafe"
)
func main() {
  // ch是长度为4的带缓冲的channel
  // 初始hchan结构体重的buf为空,sendx和recvx均为0
    ch := make(chan string, 4)
    fmt.Println(ch, unsafe.Sizeof(ch))
    go sendTask(ch)
    go receiveTask(ch)
    time.Sleep(1 * time.Second)
}
// G1是发送者
// 当G1向ch里发送数据时,首先会对buf加锁,然后将task存储的数据copy到buf中,然后sendx++,然后释放对buf的锁
func sendTask(ch chan string) {
    taskList := []string{"this", "is", "a", "demo"}
    for _, task := range taskList {
        ch <- task //发送任务到channel
    }
}
// G2是接收者
// 当G2消费ch的时候,会首先对buf加锁,然后将buf中的数据copy到task变量对应的内存里,然后recvx++,并释放锁
func receiveTask(ch chan string) {
    for {
        task := <-ch                  //接收任务
        fmt.Println("received", task) //处理任务
    }
}

总结hchan结构体的主要组成部分有四个:

  • 用来保存goroutine之间传递数据的循环数组:buf
  • 用来记录此循环数组当前发送或接收数据的下标值:sendx和recvx
  • 用于保存向该chan发送和从该chan接收数据被阻塞的goroutine队列: sendq 和 recvq
  • 保证channel写入和读取数据时线程安全的锁:lock

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