转载自：go channel 原理及应用场景
源码解析
type hchan struct {
qcount uint // Channel 中的元素个数
dataqsiz uint // Channel 中的循环队列的长度
buf unsafe.Pointer // Channel 的缓冲区数据指针
elemsize uint16 // 以后 Channel 可能收发的元素大小
closed uint32
elemtype *_type // 以后 Channel 可能收发的元素类型
sendx uint // Channel 的发送操作解决到的地位
recvx uint // Channel 的接管操作解决到的地位
recvq waitq // 以后 Channel 因为缓冲区空间有余而阻塞的 Goroutine 列表，双向链表 (sugog)
sendq waitq // 以后 Channel 因为缓冲区空间有余而阻塞的 Goroutine 列表，双向链表 (sugog)
// 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
}创立 channel
channel 的初始化有 2 种，一种是没有缓冲区的 channel，一种是有缓冲区的 channel。对应的初始化之后 hchan 也是有区别的。
无缓冲区的 channel，初始化的时候只为 channel 分配内存，缓冲区 dataqsiz 的长度为 0
有缓冲的 channel，初始化时会为 channel 和缓冲区分配内存，dataqsiz 长度大于 0
同时 channel 的元素大小和缓冲区的长度都是有大小限度的
func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
elem := t.elem
// compiler checks this but be safe.
if elem.size >= 1<<16 {throw("makechan: invalid channel element type")
}
if hchanSize%maxAlign != 0 || elem.align > maxAlign {throw("makechan: bad alignment")
}
// 如果内存超了，或者调配的内存大于 channel 最大分配内存，或者调配的 size 小于 0，间接 Panic
mem, overflow := math.MulUintptr(elem.size, uintptr(size))
if overflow || mem > maxAlloc-hchanSize || size < 0 {panic(plainError("makechan: size out of range"))
}
// Hchan does not contain pointers interesting for GC when elements stored in buf do not contain pointers.
// buf points into the same allocation, elemtype is persistent.
// SudoG's are referenced from their owning thread so they can't be collected.
// TODO(dvyukov,rlh): Rethink when collector can move allocated objects.
var c *hchan
switch {
case mem == 0:
// 如果没有缓冲区，调配一段内存
c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true))
// Race detector uses this location for synchronization.
c.buf = c.raceaddr()
case elem.ptrdata == 0:
// 有缓冲时，如果元素不蕴含指针类型, 会为以后的 Channel 和底层的数组调配一块间断的内存空间
c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true))
c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)
default:
// 有缓冲区，且元素蕴含指针类型，channel 和 buf 数组各自分配内存
c = new(hchan)
c.buf = mallocgc(mem, elem, true)
}
// 元素大小，元素类型，循环数组长度，更新到 channel
c.elemsize = uint16(elem.size)
c.elemtype = elem
c.dataqsiz = uint(size)
lockInit(&c.lock, lockRankHchan)
if debugChan {print("makechan: chan=", c, "; elemsize=", elem.size, "; dataqsiz=", size, "\n")
}
return c
}
发送数据 (ch <- i)
-
发送数据前会加锁，避免多个线程并发批改数据。 如果 channel 曾经敞开，间接 Panic
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {lock(&c.lock) if c.closed != 0 {unlock(&c.lock) panic(plainError("send on closed channel")) } -
当存在期待的接收者时，通过
runtime.send间接将数据发送给阻塞的接收者当 channel 的 recvq 队列不为空，而且 channel 是没有数据数据写入的。这个时候如果有数据写入，会间接把数据拷贝到接收者变量所在的内存地址上。即便这是一个有缓冲的 channel，当有期待的接收者时，也是间接给接收者，不会先保留到循环队列
// 如果指标 Channel 没有被敞开并且曾经有处于读期待的 Goroutine，那么 runtime.chansend 会从接管队列 recvq 中取出最先陷入期待的 Goroutine 并间接向它发送数据 if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {send(c, sg, ep, func() {unlock(&c.lock) }, 3) return true } // func send(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) { if sg.elem != nil { // 调用 runtime.sendDirect 将发送的数据间接拷贝到 x = <-c 表达式中变量 x 所在的内存地址上 sendDirect(c.elemtype, sg, ep) sg.elem = nil } gp := sg.g unlockf() gp.param = unsafe.Pointer(sg) // 调用 runtime.goready 将期待接收数据的 Goroutine 标记成可运行状态 Grunnable 并把该 Goroutine 放到发送方所在的处理器的 runnext 上期待执行，该处理器在下一次调度时会立即唤醒数据的接管方；// 须要留神的是，发送数据的过程只是将接管方的 Goroutine 放到了处理器的 runnext 中，程序没有立即执行该 Goroutine goready(gp, skip+1) } -
当缓冲区存在空余空间时，将发送的数据写入 Channel 的缓冲区
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool { ... // 如果以后元素数小于循环队列的长度 if c.qcount < c.dataqsiz { // 应用 runtime.chanbuf 计算出下一个能够存储数据的地位 qp := chanbuf(c, c.sendx) // 将发送的数据拷贝到缓冲区中 typedmemmove(c.elemtype, qp, ep) // 发送的地位索引 +1 c.sendx++ // 如果循环队列满了就从 0 开始 // 因为这里的 buf 是一个循环数组，所以当 sendx 等于 dataqsiz 时会从新回到数组开始的地位 if c.sendx == c.dataqsiz {c.sendx = 0} // 减少以后元素数 c.qcount++ unlock(&c.lock) return true } ... } -
当不存在缓冲区或者缓冲区已满时，期待其余 Goroutine 从 Channel 接收数据
当因为不存在缓冲区或者缓冲区已满无奈写入时，会结构 sudog 期待执行的 gorutine 构造，放到 hchan 的期待队列中，直到被唤醒，把数据放到缓冲区或者间接拷贝给接收者
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool { ... // 应用 select 关键字能够向 Channel 非阻塞地发送音讯 if !block {unlock(&c.lock) return false } // 获取发送数据应用的 Goroutine gp := getg() // 获取 runtime.sudog 构造 mysg := acquireSudog() // 设置待发送数据的内存地址 mysg.elem = ep // 设置发送数据的 goroutine mysg.g = gp mysg.isSelect = false // 设置发送的 channel mysg.c = c // 设置到 goroutine 的 waiting 上 gp.waiting = mysg // 退出到发送期待队列 c.sendq.enqueue(mysg) // 阻塞期待唤醒 atomic.Store8(&gp.parkingOnChan, 1) gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanSend, traceEvGoBlockSend, 2) KeepAlive(ep) // someone woke us up. if mysg != gp.waiting {throw("G waiting list is corrupted") } gp.waiting = nil gp.activeStackChans = false closed := !mysg.success gp.param = nil if mysg.releasetime > 0 {blockevent(mysg.releasetime-t0, 2) } mysg.c = nil releaseSudog(mysg) if closed { if c.closed == 0 {throw("chansend: spurious wakeup") } panic(plainError("send on closed channel")) } return true }
接收数据 (<- ch)
-
从一个空 Channel 接收数据
goroutine 会让出使用权，并阻塞期待
if c == nil { if !block {return} // 让出使用权 gopark(nil, nil, waitReasonChanReceiveNilChan, traceEvGoStop, 2) throw("unreachable") } // 不获取锁的状况下，查看失败的非阻塞操作 if !block && empty(c) { // 显示未敞开，持续返回 false，因为 channel 不会从新关上 if atomic.Load(&c.closed) == 0 {return} if empty(c) { // The channel is irreversibly closed and empty. if raceenabled {raceacquire(c.raceaddr()) } // Channel 曾经被敞开并且缓冲区中不存在任何数据，那么会革除 ep 指针中的数据并立即返回 if ep != nil {typedmemclr(c.elemtype, ep) } return true, false } } var t0 int64 if blockprofilerate > 0 {t0 = cputicks() } lock(&c.lock) if c.closed != 0 && c.qcount == 0 { if raceenabled {raceacquire(c.raceaddr()) } unlock(&c.lock) // Channel 曾经被敞开并且缓冲区中不存在任何数据，那么会革除 ep 指针中的数据并立即返回 if ep != nil {typedmemclr(c.elemtype, ep) } return true, false } -
当存在期待的发送者时，通过
runtime.recv从阻塞的发送者或者缓冲区中获取数据如果是无缓冲的 channel，当有接收者进来时，会间接从阻塞的发送者拷贝数据
如果是有缓冲的 channel，当有接收者进来时，会先从缓冲区拿数据，接着期待的发送者会把数据拷贝到缓冲区
留神这个时候并没有间接去唤醒发送者，而是放到下次 p 的执行队列中中，下次调度时会唤醒发送者，发送者会做一些开释资源的操作
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 { if raceenabled {racesync(c, sg) } if ep != nil { // 如果无缓存，间接从发送者拷贝数据 recvDirect(c.elemtype, sg, ep) } } else { // 因为队列已满，接收数据的索引和发送数据的索引统一 qp := chanbuf(c, c.recvx) if raceenabled {racenotify(c, c.recvx, nil) racenotify(c, c.recvx, sg) } // 数据从队列拷贝到指标内存地址 if ep != nil {typedmemmove(c.elemtype, ep, qp) } // 数据从发送者拷贝到缓冲区 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 } sg.elem = nil gp := sg.g unlockf() gp.param = unsafe.Pointer(sg) sg.success = true if sg.releasetime != 0 {sg.releasetime = cputicks() } // 无论产生哪种状况，运行时都会调用 runtime.goready 将以后处理器的 runnext 设置成发送数据的 Goroutine，在调度器下一次调度时将阻塞的发送方唤醒。goready(gp, skip+1) } -
当缓冲区存在数据时，从 Channel 的缓冲区中接收数据
if c.qcount > 0 { // 间接从队列取数据 qp := chanbuf(c, c.recvx) if raceenabled {racenotify(c, c.recvx, nil) } // 放到指标内存 if ep != nil {typedmemmove(c.elemtype, ep, qp) } // 清空队列中对应的元素 typedmemclr(c.elemtype, qp) // 接管索引 +1 c.recvx++ if c.recvx == c.dataqsiz {c.recvx = 0} // 队列元素 -1 c.qcount-- unlock(&c.lock) return true, true } -
当缓冲区中不存在数据时，期待其余 Goroutine 向 Channel 发送数据
if !block {unlock(&c.lock) return false, false } // no sender available: block on this channel. gp := getg() mysg := acquireSudog() mysg.releasetime = 0 if t0 != 0 {mysg.releasetime = -1} // No stack splits between assigning elem and enqueuing mysg // on gp.waiting where copystack can find it. mysg.elem = ep mysg.waitlink = nil gp.waiting = mysg mysg.g = gp mysg.isSelect = false mysg.c = c gp.param = nil c.recvq.enqueue(mysg) // 阻塞期待，让出使用权 atomic.Store8(&gp.parkingOnChan, 1) gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanReceive, traceEvGoBlockRecv, 2) // 唤醒之后清空 sudog if mysg != gp.waiting {throw("G waiting list is corrupted") } gp.waiting = nil gp.activeStackChans = false if mysg.releasetime > 0 {blockevent(mysg.releasetime-t0, 2) } success := mysg.success gp.param = nil mysg.c = nil releaseSudog(mysg) return true, success
敞开 channel
-
当 Channel 是一个空指针或者曾经被敞开时，Go 语言运行时都会间接解体并抛出异样
func closechan(c *hchan) { if c == nil {panic(plainError("close of nil channel")) } lock(&c.lock) if c.closed != 0 {unlock(&c.lock) panic(plainError("close of closed channel")) } -
将
recvq和sendq两个队列中的数据退出到 Goroutine 列表gList中，与此同时该函数会革除所有runtime.sudog上未被解决的元素c.closed = 1 var glist gList // release all readers for {sg := c.recvq.dequeue() if sg == nil {break} if sg.elem != nil {typedmemclr(c.elemtype, sg.elem) sg.elem = nil } if sg.releasetime != 0 {sg.releasetime = cputicks() } gp := sg.g gp.param = unsafe.Pointer(sg) sg.success = false if raceenabled {raceacquireg(gp, c.raceaddr()) } glist.push(gp) } // release all writers (they will panic) for {sg := c.sendq.dequeue() if sg == nil {break} sg.elem = nil if sg.releasetime != 0 {sg.releasetime = cputicks() } gp := sg.g gp.param = unsafe.Pointer(sg) sg.success = false if raceenabled {raceacquireg(gp, c.raceaddr()) } glist.push(gp) } unlock(&c.lock) // 为所有被阻塞的 Goroutine 调用 runtime.goready 触发调度。for !glist.empty() {gp := glist.pop() gp.schedlink = 0 goready(gp, 3) }
应用场景
报错情景
- 往一个敞开的 channel 发送数据会报错：panic: send on closed channel
- 敞开一个 nil 的 chan 会报错：panic: close of nil channel
- 敞开一个曾经敞开的 channel 报错：panic: close of closed channel
1、一个经典的算法题
有 4 个 goroutine，编号为 1、2、3、4。每秒钟会有一个 goroutine 打印出本人的编号，要求写一个程序，让输入的编号总是依照 1、2、3、4、1、2、3、4… 的程序打印进去
package main
import (
"fmt"
"time"
)
func main() {
// 4 个 channel
chs := make([]chan int, 4)
for i, _ := range chs {chs[i] = make(chan int)
// 开 4 个协程
go func(i int) {
for {
// 获取以后 channel 值并打印
v := <-chs[i]
fmt.Println(v + 1)
time.Sleep(time.Second)
// 把下一个值写入下一个 channel，期待下一次生产
chs[(i+1)%4] <- (v + 1) % 4
}
}(i)
}
// 往第一个塞入 0
chs[0] <- 0
select {}}
2、限流器
package main
import (
"fmt"
"time"
)
func main() {
// 每次解决 3 个申请
chLimit := make(chan struct{}, 3)
for i := 0; i < 20; i++ {chLimit <- struct{}{}
go func(i int) {fmt.Println("上游服务解决逻辑...", i)
time.Sleep(time.Second * 3)
<-chLimit
}(i)
}
time.Sleep(30 * time.Second)
}
如果感觉 sleep 太丑太暴力，能够用 waitGroup 管制完结机会
package main
import (
"fmt"
"sync"
"time"
)
var wg sync.WaitGroup
func main() {
// 每次解决 3 个申请
chLimit := make(chan struct{}, 3)
for i := 0; i < 20; i++ {chLimit <- struct{}{}
wg.Add(1)
go func(i int) {fmt.Println("上游服务解决逻辑...", i)
time.Sleep(time.Second * 3)
<-chLimit
wg.Done()}(i)
}
wg.Wait()}
3、优雅退出
package main
import (
"fmt"
"log"
"os"
"os/signal"
"syscall"
"time"
)
func main() {var closing = make(chan struct{})
var closed = make(chan struct{})
go func() {
for {
select {
case <-closing:
return
default:
fmt.Println("业务逻辑...")
time.Sleep(1 * time.Second)
}
}
}()
termChan := make(chan os.Signal)
// 监听退出信号
signal.Notify(termChan, syscall.SIGINT, syscall.SIGTERM)
<-termChan
// 退出中
close(closing)
// 退出之前清理一下
go doCleanup(closed)
select {
case <-closed:
case <-time.After(time.Second):
log.Println("清理超时不等了")
}
log.Println("优雅退出")
}
func doCleanup(closed chan struct{}) {time.Sleep(time.Minute)
// 清理完后退出
close(closed)
}
4、实现互斥锁
初始化一个缓冲区为 1 的 channel，放入元素代表一把锁，谁获取到这个元素就代表获取了这把锁，开释锁的时候再把这个元素放回 channel
package main
import (
"log"
"time"
)
type Mutex struct {ch chan struct{}
}
// 初始化锁
func NewMutex() *Mutex {mu := &Mutex{make(chan struct{}, 1)}
mu.ch <- struct{}{}
return mu
}
// 加锁，阻塞获取
func (m *Mutex) Lock() {<- m.ch}
// 开释锁
func (m *Mutex) Unlock() {
select {
// 胜利写入 channel 代表开释胜利
case m.ch <- struct{}{}:
default:
panic("unlock of unlocked mutex")
}
}
// 尝试获取锁
func (m *Mutex) TryLock() bool {
select {
case <-m.ch:
return true
default:
}
return false
}
func (m *Mutex) LockTimeout(timeout time.Duration) bool {timer := time.NewTimer(timeout)
select {
case <-m.ch:
// 胜利获取锁敞开定时器
timer.Stop()
return true
case <-timer.C:
}
// 获取锁超时
return false
}
// 是否上锁
func (m *Mutex) IsLocked() bool {return len(m.ch) == 0
}
func main() {m := NewMutex()
ok := m.TryLock()
log.Printf("locked v %v\n", ok)
ok = m.TryLock()
log.Printf("locked v %v\n", ok)
go func() {time.Sleep(5*time.Second)
m.Unlock()}()
ok = m.LockTimeout(10*time.Second)
log.Printf("LockTimeout v %v\n", ok)
}参考:
极刻工夫《go 并发编程实战》