Go保证并发安全底层实现详解

目录

• 引言
• CSP
• Channel的基本使用
• channel如何保证并发安全
• channel的底层实现
• waitq
• buffe
• Lock

引言

上一部分主要写了锁，本篇主要介绍Channel

channel是Go中非常重要的一个数据类型，它和goroutine紧密相连，是Go的CSP并发模型的重要体现。

CSP

• CSP 是通信顺序进程（Communicating Sequential Process）的简称，是一种并发编程模型。
• 简单来说，CSP模型由并发的实体所组成，实体之间通过发送消息进行通信，而发送消息使用的就是通道，即channel。
• GO实现了CSP部分理论，goroutine对应CSP中的并发执行的实体，channel对应CSP中的channel。

不要通过共享内存来通信，而应该通过通信来共享内存

Channel的基本使用

package main
import "fmt"
func main() {
	c := make(chan int)
	go func() {
		c <- 1 // 向channel发送数据
	}()
	x := <-c // 从channel中接收数据
	fmt.Println(x)
}

1、通过make(chan int)创建一个int channel（可以在channel初始化时指定缓冲区的大小，例如make(chan int，2)，不指定则默认为0）

2、在一个goroutine中，通过c<-1将数据发送到channel中，<-可以理解为数据的流动方向。

3、在主goroutine中通过x := <-c接收channel中的数据，并赋值给x。

channel如何保证并发安全

既然goroutin和channel分别对应csp中的实体和媒介，goroutin之间都是通过chennel来传递数据，那么是如何保证并发安全的呢？

通过阅读源码可以发现，channel内部是使用Mutext互斥锁来保证的（ 之前也有人提出CAS无锁Channel的实现，但因为无锁Channel在多核测试中的表现和没有满足FIFO的特性等原因，该提案目前是搁浅状态）关于无锁channel的讨论

channel的底层实现

channel的核心源码位于runtime包的chan.go中。

hchan 是 channel 在 golang 中的内部实现

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 protects all fields in hchan, as well as several 
    // fields in sudogs blocked on this channel. 
    // 
    // Do not change another G's status while holding this lock 
    // (in particular, do not ready a G), as this can deadlock 
    // with stack shrinking. 
    lock mutex 
 } 

hchan的所有属性大体可以分为3类

1、buffer相关属性，当channel中的缓冲区大小不为0时，buffer中存放了待接收的数据。

2、waitq相关属性，即recvq和sendq，可以理解为一个标准的FIFO队列，recvq是等待接收数据的goroutine，sendq是等待发送数据的goroutine。

3、其它，例如lock（互斥锁）、elemtype（元素类型）、closed（channel 是否关闭，== 0 代表未 closed）

hchan的所有行为，基本都是围绕buffer和waitq来实现的

waitq

type waitq struct { 
 first *sudog 
 last *sudog 
 } 

waitq是一个双向链表，里面保存了goroutine。

buffe

buffer使用 ring buffer（环形缓冲区）实现

在hchan中，可以看到 recvx和sendx 两个属性，recvx即当前已发送的元素在队列当中的索引位置，sendx 即 当前已接收的元素在队列当中的索引位置。

从 recvx 到 sendx 之间的元素，表示已正常存放入 buffer 中的数据。

Lock

hchan中的lock就是一个互斥锁，channel在发送和接收数据前，都会先进行加锁，待逻辑完成后执行再解锁，来保证并发安全。

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