Go语言实现了两种多线程同步计划，一种是传统多线程语言相似，基于共享内存计划；另一种称之为基于协程-管道的CSP（communicating sequential processes）并发编程模型，这也是Go语言举荐的形式。本篇文章次要解说管道在并发编程中的典型利用，以及管道的底层实现原理。
典型利用场景
顾名思义，管道能够从一端写入数据，一端读取数据，用户程序能够很不便的通过管道实现协程间通信，如下列形式：
package main
import (
"fmt"
"time"
)
func main() {
queue := make(chan int, 1)
go func() {
for {
data := <- queue //读取
fmt.Print(data, " ") //0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
}
}()
for i := 0; i < 10; i ++ {
queue <- i //写入
}
time.Sleep(time.Second)
}管道能够在多协程间传递数据，管道的申明如”chan int”形式，申明蕴含了传递的数据类型。make初始化管道时候，第二个参数用于设置管道最大能够存储的数据量：管道容量满了之后，写入数据会阻塞以后协程；管道容量为空时，读取数据也会阻塞以后协程。那如果make初始化管道时，第二个参数是0呢？这意味着该管道最大容量为0，也就是，向管道写入数据时如果没有协程恰好期待读，肯定会阻塞以后写协程；相应的，从管道读取数据时如果没有协程恰好期待写入，也肯定会阻塞以后读协程。
管道容量不为0时，咱们通常称该管道为有缓冲管道，对应的管道容量为0就是无缓冲管道。有缓冲管道可供多个协程协同解决，在肯定水平上能够进步程序的并发，这句话怎么了解呢？构想有这么一个需要：有一个脚本，从kafka等队列生产音讯并解决，然而解决逻辑比拟耗时，单线程/协程生产+解决效率太低，那就多协程解决呗。一个协程生产kafka等队列音讯，写入管道，多个异步协程从管道获取音讯并解决，这里咱们就通过有缓冲管道 + 多协程进步了程序的并发。程序实例如下：
package main
import (
"fmt"
)
func main() {
//有缓冲管道
queue := make(chan int, 100)
//启动10个子协程生产管道音讯
for i := 0; i < 10; i ++ {
go func() {
for {
data := <- queue
fmt.Println(data)
}
}()
}
//主协程循环向管道写入音讯
for j := 0; j < 1000; j ++ {
queue <- j
}
}管道的写入或者读取可能会阻塞以后协程，问题就是以后管道是否可读或者可写是不晓得的，如果一个协程须要同时操作多个管道呢？比方有多个异步协程从管道抓取数据（耗时），写入数据管道（每一个异步协程对应一个数据管道），主协程从多个数据管道生产数据，写入本地文件。主协程怎么同时读取多个管道呢？要晓得读取管道可能会导致主协程阻塞的。Go语言还有一个关键字select，能够同时监听多个管道，十分相似IO多路复用的概念，如epoll。这时候程序应该是这样的：
package main
import (
"fmt"
"time"
)
func main() {
c1 := make(chan int, 10)
c2 := make(chan int, 10)
//协程1，循环向管道c1写入数据
go func() {
for i := 0; i < 1000; i ++ {
c1 <- i
time.Sleep(time.Second)
}
}()
//协程2，循环向管道c2写入数据
go func() {
for i := 1000; i < 2000; i ++ {
c2 <- i
time.Sleep(time.Millisecond * 500)
}
}()
//主协程，select case同时监听c1和c2两个管道，哪个管道先变为可读，先执行哪个case
for {
select {
case data := <- c1:
fmt.Println(data)
case data := <- c2:
fmt.Println(data)
}
}
}管道的读写操作可能导致协程的阻塞，有没有可能不阻塞协程呢？其实也能够，同样能够用select实现，不过这里还须要增加一个非凡的分支，default，意思是默认分支，即其余分支阻塞的时候，执行default分支。
package main
import (
"fmt"
"strconv"
)
func main() {
queue := make(chan int, 0)
for i := 0; i < 10; i ++ {
select {
case queue <- i:
fmt.Println("insert: " + strconv.Itoa(i))
default:
fmt.Println("skip: " + strconv.Itoa(i))
}
}
}queue是无缓冲管道，实践上主协程向管道queue写入数据都会阻塞，然而通过select default的组合，管道的写入变成非阻塞了。此时，如果无奈向管道写入数据，执行defualt分支，并没有阻塞协程。
select与default的组合能够实现管道的非阻塞操作，而select与定时器的组合，能够为管道的操作加上超时工夫（其实就是select监听多个管道），也就是如果管道不可读或不可写，会阻塞协程，然而待定时器触发时，协程就会解除阻塞。
package main
import (
"fmt"
"time"
)
func main() {
queue := make(chan int, 0)
//定时器1秒后触发；
t := time.After(time.Second)
go func() {
select {
case <- queue:
fmt.Println("recv data")
case <- t:
fmt.Println("timeout") //time.After返回的其实就是管道，1秒后管道t变为可读；
}
}()
time.Sleep(time.Second * 3)
}咱们后面介绍，管道的申明个别蕴含传递的数据类型，然而在某些场景，咱们应用管道只是想传递一个信号，比方下面的程序你会关怀定时器管道t读取的数据吗？再比方上面的程序，主协程须要期待子协程运行完结后再退出，就能通过管道实现，而这里管道申明为chan struct{}，因为数据不重要，咱们只关注他的可读可写状态。初始主协程读管道而阻塞，而等到子协程执行结束后，向管道写入任意数据，主协程就会解除阻塞，复原执行。
package main
import (
"fmt"
"time"
)
func main() {
queue := make(chan struct{}, 0)
go func() {
time.Sleep(time.Second)
queue <- struct{}{}
}()
<- queue
fmt.Println("time end")
}实现原理
chan是如何实现在多个协程间传递数据呢？思考一下，有缓冲管道是不是须要存储数据，那必定须要一个数组了，而且这个数组应该作为循环队列应用（一边写入数据一边读取数据，数组没必要有限扩容，而且管道是FIFO模式，先写入的数据先读取，循环队列就能满足条件）；另外，协程操作管道时还有可能被阻塞，阻塞的协程也有可能因为其余协程的写入或者读取而解除阻塞，阻塞的协程队列保留在哪呢？存储在管道变量就能够了；最初，多个协程可能并发的操作管道，所以必定是须要加锁的。
联合这三点思考，管道的数据类型定义也跃然纸上了：
// runtime/chan.go
type hchan struct {
//以后管道存储的元素数目
qcount uint // total data in the queue
//管道容量
dataqsiz uint // size of the circular queue
//数组
buf unsafe.Pointer // points to an array of dataqsiz elements
//标识管道是否被close
closed uint32
//管道存储的元素类型 & 元素大小
elemtype *_type // element type
elemsize uint16
//读/写索引，循环队列
sendx uint // send index
recvx uint // receive index
//读阻塞协程队列，写协程梗塞队列
recvq waitq // list of recv waiters
sendq waitq // list of send waiters
//锁
lock mutex
}管道数据结构定义如下图所示：
文件runtime/chan.go不仅定义了管道的数据类型，好包含基本操作办法：
// chan初始化；size就是chan容量
func makechan(t *chantype, size int) *hchan
// 从chan读取数据；ep指针，读取到的数据就存储在ep；block示意如果chan不可读，是否阻塞协程
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool)
// 向chan写入数据；ep指针，待写入的数据就存储在ep；block示意如果chan不可写，是否阻塞协程
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr)
// chan敞开
func closechan(c *hchan)咱们以chansend函数为例，钻研chan的基本操作：
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
//加锁
lock(&c.lock)
//如果有协程在期待读，间接将数据交给指标协程，并唤醒该协程
if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {
send(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
return true
}
//如果管道还有残余容量
if c.qcount < c.dataqsiz {
//拷贝数据到chan数组
qp := chanbuf(c, c.sendx)
typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)
//更新写入索引
c.sendx++
//循环队列，到最初一个索引了，从头开始
if c.sendx == c.dataqsiz {
c.sendx = 0
}
//管道目前存储元素数目
c.qcount++
//开释锁
unlock(&c.lock)
return true
}
//管道容量曾经满了，间接返回false或者阻塞协程
//block为false示意不阻塞协程
if !block {
unlock(&c.lock)
return false
}
//协程阻塞时，会转化为sudog对象存储在管道的阻塞队列
mysg := acquireSudog()
mysg.g = gp
mysg.elem = ep
//阻塞协程入队
c.sendq.enqueue(mysg)
//协程换出
gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanSend, traceEvGoBlockSend, 2)
//走到这里，阐明协程复原执行，会执行一些开释工作
}
func send(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
//数据拷贝
if sg.elem != nil {
sendDirect(c.elemtype, sg, ep)
sg.elem = nil
}
gp := sg.g
unlockf()
//唤醒阻塞协程
goready(gp, skip+1)
}向管道写入数据时，如果以后有协程在阻塞期待读，send函数会调用goready唤醒该协程，即变更该协程状态为可运行_Grunnable，同时将该协程从新增加到P的协程队列。另外，协程阻塞时不是会转换为sudog对象么，而sudog.elem专用于数据的传递，send函数也会间接将待写入管道的数据，通过sudog.elem传递给读阻塞的协程。
咱们还留神到，参数block示意如果协程不可读或者不可写，是否阻塞协程。一般的协程读写都是阻塞时的，然而上一大节咱们提到，select + default能够实现协程的非阻塞读写，这种语法会转换为runtime.selectnbrecv函数调用，其正文如下：
// compiler implements
//
// select {
// case v, ok = <-c:
// ... foo
// default:
// ... bar
// }
//
// as
//
// if selected, ok = selectnbrecv(&v, c); selected {
// ... foo
// } else {
// ... bar
// }
//
func selectnbrecv(elem unsafe.Pointer, c *hchan) (selected, received bool)咱们再思考一个问题，管道如果被close了，或者是管道没有初始化（nil），这时候如果读、或者写、或者甚至close管道，会呈现什么状况呢？阻塞吗？还是会抛panic异样？
func closechan(c *hchan) {
//抛panic
if c == nil {
panic(plainError("close of nil channel"))
}
//抛panic
if c.closed != 0 {
unlock(&c.lock)
panic(plainError("close of closed channel"))
}
//标识被敞开
c.closed = 1
//唤醒所有读阻塞、写阻塞的协程
release all readers
for {
sg := c.recvq.dequeue()
}
// release all writers (they will panic)
for {
sg := c.sendq.dequeue()
}
}
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
if c == nil {
if !block {
return false
}
//永恒阻塞
gopark(nil, nil, waitReasonChanSendNilChan, traceEvGoStop, 2)
throw("unreachable")
}
//如果敞开，不可写，抛panic
if c.closed != 0 {
unlock(&c.lock)
panic(plainError("send on closed channel"))
}
}
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
if c == nil {
if !block {
return
}
//永恒阻塞
gopark(nil, nil, waitReasonChanReceiveNilChan, traceEvGoStop, 2)
throw("unreachable")
}
//如果管道没有数据，返回该类型空数据
if c.closed != 0 && c.qcount == 0 {
unlock(&c.lock)
if ep != nil {
typedmemclr(c.elemtype, ep)
}
return true, false
}
// 失常数据读取流程
}首先明确了一件事件，管道只能敞开一次，并且如果管道为nil，也是不能敞开的；而且管道敞开时，也会唤醒所有因为该管道而阻塞的协程。当管道为nil时，如果block为true，读写管道都会导致协程的永恒阻塞。当管道被close时，向管道写入数据是会抛panic的，然而能够失常读取数据，即便管道为空，读取也会立刻返回（空数据）。
最初，select时如何实现同时监听多个管道的呢？设想一下如果将以后协程增加多多个管道的阻塞队列呢，是不是任意管道可读或可写时，都会唤醒该协程？select的实现逻辑有些简单，这里咱们就不再赘述，有趣味的能够钻研下runtime.selectgo函数：
// selectgo implements the select statement.
// cas0指向多个case数组首地址，nsends、nrecvs 读、写管道的数目；block是否阻塞
func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, pc0 *uintptr, nsends, nrecvs int, block bool) (int, bool) 管道与调度器schedule
还记得之前介绍的吗？协程因为某些起因阻塞了（chan的读写，socket的读写等等），或者是协程执行完结了，这时候也是须要从新调度其余协程的。协程阻塞通常是通过runtime.gopark函数实现的，而灰度协程调度通常是通过函数runtime.goready实现。
管道的读操作以及写操作都有可能阻塞协程，参考函数chanrecv以及chansend：
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
//协程阻塞
gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanSend, traceEvGoBlockSend, 2)
}
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
//协程阻塞
gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanReceive, traceEvGoBlockRecv, 2)
}协程因管道阻塞后，什么时候能复原执行呢？当然是其余协程读/写管道时了，从函数chansend的流程能够看到，协程阻塞时，转换为sudog构造，存储在sendq阻塞队列。所以在chanrecv函数中，必定能够找到对应的从sendq获取协程并复原调度的逻辑。
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
if sg := c.sendq.dequeue(); sg != nil {
recv(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
return true, true
}
}
func recv(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
if c.dataqsiz == 0 {
//无缓冲管道，间接拷贝数据
if ep != nil {
// copy data from sender
recvDirect(c.elemtype, sg, ep)
}
} else {
//有缓冲管道，该阻塞协程是因为管道满了
qp := chanbuf(c, c.recvx)
//从缓冲区拷贝数据
if ep != nil {
typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
}
// 拷贝发送协程的数据到管道
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
}
//复原协程调度
goready(gp, skip+1)
}总结
管道是Go语言并发编程十分重要的数据类型，本篇文章先介绍了管道的一些典型利用场景，最初深刻底层，解说了管道读写操作的实现逻辑，以及管道与调度器schedule之间的关系。
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