Go语言Channel的底层原理详解

1.简介

Go中有一句经典的名言：“不要通过共享内存的方式来通信，而要通过通信的方式来共享内存。”原因是因为：使用共享内存的方式会造成数据竞争，为了防止数据竞争所以需要加锁，共享内存的方式在高并发场景下的锁竞争激烈，开销大。Go语言的高并发特性依赖于goruntine和channel，采用channel进行通信可以控制并发的数量，可以使得生产者和消费者解耦，提高代码可读性。

2. channel的底层结构

channel的底层结构是一个hchan的结构体。

环形缓存：
go语言的channel采用的是环形缓存，环形缓存的内存空间可以复用，减少了GC的压力。channel的环形缓存由hchan的五个字段构成。

qcout是环形缓存中已经保存数据的多少，dataqsize表示的是最多能缓存多少数据，buf是一个指向环形缓存第一个成员的指针，elemsize和elemtype是缓存数据的大小和类型。
两个队列
channel中含有两个队列分别是：接收队列和发送队列。

close状态值
hchan结构体中close的状态值，1表示channel关闭，0表示channel打开
互斥锁：该互斥锁保证同一个时刻只有一个协程可以操作channel

3.channel的基础用法

func main() {
	// channel的创建
	ch := make(chan int, 2) // 创建一个int类型的含有两个缓存的channel
	ch2 := make(chan int)   // 创建一个int类型的不含有缓存的channel

	// 往channel中添加元素
	i := 10
	ch <- i // 将i加入到ch的管道中，由于存在缓存所以不会阻塞
	// channel中输出元素
	x := <-ch
	fmt.Println(x)
	// 没有缓存的channel在往里面添加元素或者接受元素的时候会发生阻塞
	go func() {
		t := <-ch2 // 会发生阻塞，ch2没有缓存
		fmt.Println("阻塞结束，输出", t)
	}()
	ch2 <- 1 //
}

4.Go的发送数据底层原理

（1）直接发送：在发送数据之前，已经有协程在休眠等待，给channel发送数据不需要放在缓存中，把数据拷贝给一个协程，然后唤醒一个协程。

**（2）放入缓存：**没有协程在等待接收，channel是存在缓存的，将数据放在缓存区中，维护索引。

**（3）休眠等待：**没有等待接收的协程，channel没有缓存区，或者缓存区已经被填满了。协程包装成sudog并且加入到发送队列中，休眠等待。

5.Go的接收数据底层原理

（1）有发送等待的协程，并且没有缓存或者缓存空，从发送等待的协程中接收：先将数据拷贝过来，然后唤醒协程。
（2）有等待的发送的协程，从缓存接收：有等待发送的协程，并且有缓存，从缓存取走数据，将休眠协程的数据放到缓存中，并且唤醒休眠协程。

（3）接收缓存：没有协程在等待发送，从缓存中取走一个数据

（4）阻塞接收：没有协程在等待发送，并且缓存区中没有数据或者没有缓存，则直接阻塞。

6.Go中Channel的应用场景

1. 解耦生产者和消费者，对协程通信进行解耦，生产者只需要往channel里面发送数据，消费者只需要从channel中获取数据。
2. 控制并发的数量，可以通过channel来控制并发的规模
3. 可以做任务的定时和任务的超时处理，通常和select一起使用。