Golang select 用法与实现原理

1.简介

Golang 中的 select 语句是用于多路复用的一种语言结构，用于同时等待多个通道上的数据，并执行相应的代码块。

也就是说 select 是用来监听和 channel 有关的 IO 操作，它与 select，poll，epoll 相似，当 IO 操作发生时，触发相应的动作，实现 IO 多路复用。

特性如下：

• case 必须是一个通信操作。
• select 语句中除 default 外，各 case 执行顺序是随机的。
• select 语句中如果没有 default 语句，则会阻塞等待任意一个 case。
• select 语句中除 default 外，每个 case 只能操作一个 channel，要么读要么写。
• 当 select 中的多个 case 同时被触发时，会随机执行其中的一个。

2.基本语法

select {
    case <-channel1:
        // 处理 channel1 上的数据
    case data := <-channel2:
        // 处理 channel2 上的数据
    case channel3 <- data:
        // 将数据写入 channel3
    default:
        // 没有任何 channel 可用
}

select 语句会等待多个通道中的数据，一旦某个通道上有数据可读或可写，就会执行相应的 case 子句。如果多个 case 子句同时满足条件，则随机选择其中一个执行。如果没有任何 case 子句满足条件，则执行 default 子句。如果没有 default 子句，则 select 会一直阻塞，直到有通道可用。

注意，select 语句中读操作要判断是否成功读取，因为关闭的 channel 也可以读取，此时 ok 为 false。

case elem, ok := <-chan1:

3.实现原理

概述

select 语句是基于 Golang 运行时的调度器实现的 IO 多路复用。可以同时监控多个通道的状态，并在某个通道就绪时将其对应的 case 子句加入调度队列中等待执行。当某个 case 子句执行完毕后，select 语句就会结束，并返回对应的结果。

Golang 的运行时调度器是一种基于 goroutine 的协作式调度机制，它能够在多个 goroutine 之间进行高效的上下文切换，从而实现并发和并行执行。在调度器的实现中，每个 goroutine 会绑定到一个线程上，而线程则会在操作系统层面上执行调度，以实现多线程并发。调度器会监控每个 goroutine 的状态，并在 goroutine 处于阻塞状态时，将其从线程上解绑，然后将线程用于执行其他 goroutine，从而避免了阻塞操作对整个程序的影响。

在 Golang 中，使用 select 语句可以轻松地实现 IO 多路复用。当 select 语句被执行时，运行时调度器会将所有 case 子句中的通道加入到一个调度器队列中，并监控这些通道的状态。当有数据可读或可写时，调度器就会选择其中一个 case 子句，并将其对应的代码块加入到调度队列中等待执行。

数据结构

Golang 实现 select 时，并没有一个数据结构表示 select，但是有一个数据结构表示 case 语句（含 defaut，default 实际上是一种特殊的 case）。

select 执行过程可以类比成一个函数，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

我们先看一下 case 的数据结构（go 1.19 runtime/select.go）。

// Select case descriptor.
// Known to compiler.
// Changes here must also be made in src/cmd/compile/internal/walk/select.go's scasetype.
type scase struct {
	c    *hchan         // chan
	elem unsafe.Pointer // data element
}

因为 case 中都与 Channel 的发送和接收有关，所以 runtime.scase 结构体中也包含一个 runtime.hchan 类型的字段存储 case 中使用的 Channel。

elem 表示缓冲区地址，表示从 Channel 读出的数据存放地址或将要写入 Channel 的数据存放地址。

实现逻辑

源码 runtime.selectgo()（src/runtime/select.go）定义了 select 选择 case 的函数：

// selectgo implements the select statement.
//
// cas0 points to an array of type [ncases]scase, and order0 points to
// an array of type [2*ncases]uint16 where ncases must be <= 65536.
// Both reside on the goroutine's stack (regardless of any escaping in
// selectgo).
//
// For race detector builds, pc0 points to an array of type
// [ncases]uintptr (also on the stack); for other builds, it's set to
// nil.
//
// selectgo returns the index of the chosen scase, which matches the
// ordinal position of its respective select{recv,send,default} call.
// Also, if the chosen scase was a receive operation, it reports whether
// a value was received.
func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, pc0 *uintptr, nsends, nrecvs int, block bool) (int, bool)

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。

selectgo 函数做了什么呢？

1. 打乱传入的 case 结构体顺序。
2. 锁定 scase 语句中所有的 channel。
3. 按照随机顺序检测 scase 中的 channel 是否 ready：
   3.1 如果case可读，则读取channel中数据，解锁所有的channel，然后返回(case index, true)
   3.2 如果case可写，则将数据写入channel，解锁所有的channel，然后返回(case index, false)
   3.3 所有case都未ready，则解锁所有的channel，然后返回（default index, false）
4. 所有case都未ready，且没有default语句
   4.1 将当前协程 G 加入到所有 channel 的等待队列
   4.2 解锁所有 channel
   4.3 当将协程转入阻塞，等待被唤醒
5. channel 可读或可写 ready 了，则唤醒。唤醒后返回 channel 对应的 case index
   5.1 如果是读操作，解锁所有的channel，然后返回(case index, true)
   5.2 如果是写操作，解锁所有的channel，然后返回(case index, false)

其中被阻塞的 G 由 runtime.sudog 来表示。

4.小结

总之，Golang 的 select 语句是一种基于运行时调度器实现的高效 IO 多路复用技术，可以轻松地实现多路复用和并发操作，从而提高程序效率和性能。

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参考文献

OpenAI ChatGPT
Go 语言select 的实现原理 - 面向信仰编程
图解Go select语句原理 - 菜刚RyuGou的博客
Go select的使用和实现原理 - 博客园