关于golang:Go中的channel怎么实现的

概述

置信大家在开发的过程中常常会应用到 go 中并发利器 channel，channel 是CSP 并发模型中最重要的一个组件，两个独立的并发实体通过共享的通信 channel 进行通信。大多数人只是会用这么个构造很少有人探讨它底层实现，这篇文章讲写写 channel 的底层实现。

channel

channel的底层实现是一个构造体，源代码如下:

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
}

可能看源代码不是很好看得懂，这里我集体画了一张图不便大家查看，我在下面标注了不同色彩，并且正文其作用。

通道像一个 传送带 或者 队列 ，总是遵循FIFO 的规定，保障收发数据的程序，通道是 goroutine 间重要通信的形式，是并发平安的。

buf

hchan构造体中的 buf 指向一个循环队列，用来实现循环队列，sendx是循环队列的队尾指针，recvx是循环队列的队头指针，dataqsize是缓存型通道的大小，qcount是记录通道内元素个数。

在日常开发过程中用的最多就是 ch := make(chan int, 10) 这样的形式创立一个通道，如果这要申明初始化的话，这个通道就是有缓冲区的，也是图上紫色的 buf，buf 是在 make 的时候程序创立的，它有 元素大小 * 元素个数 组成一个循环队列，能够看做成一个环形构造，buf则是一个指针指向这个环。

上图对应的代码那就是 ch = make(chan int,6)，buf 指向这个环在 heap 上的地址。

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")
    }

      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:
        // Queue or element size is zero.
        c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true))
        // Race detector uses this location for synchronization.
      c.buf = c.raceaddr()
    case elem.ptrdata == 0:
        // Elements do not contain pointers.
        // Allocate hchan and buf in one call.
        c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true))
        c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)
    default:
        // Elements contain pointers.
        c = new(hchan)
        c.buf = mallocgc(mem, elem, true)
    }

    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
}

下面就是对应的代码实现，上来它会查看你一系列参数是否非法，而后在通过 mallocgc 在内存开拓这块空间，而后返回。

sendx & recvx

上面我手动模仿一个 ring 实现的代码：

// Queue cycle buffer
type CycleQueue struct {data                  []interface{} // 寄存元素的数组，精确来说是切片
    frontIndex, rearIndex int           // frontIndex 头指针,rearIndex 尾指针
    size                  int           // circular 的大小
}

// NewQueue Circular Queue
func NewQueue(size int) (*CycleQueue, error) {
    if size <= 0 || size < 10 {return nil, fmt.Errorf("initialize circular queue size fail,%d not legal,size >= 10", size)
    }
    cq := new(CycleQueue)
    cq.data = make([]interface{}, size)
    cq.size = size
    return cq, nil
}

// Push  add data to queue
func (q *CycleQueue) Push(value interface{}) error {if (q.rearIndex+1)%cap(q.data) == q.frontIndex {return errors.New("circular queue full")
    }
    q.data[q.rearIndex] = value
    q.rearIndex = (q.rearIndex + 1) % cap(q.data)
    return nil
}

// Pop return queue a front element
func (q *CycleQueue) Pop() interface{} {
    if q.rearIndex == q.frontIndex {return nil}
    v := q.data[q.frontIndex]
    q.data[q.frontIndex] = nil // 拿除元素 地位就设置为空
    q.frontIndex = (q.frontIndex + 1) % cap(q.data)
    return v
}

循环队列个别应用空余单元法来解决队空和队满时候都存在 font=rear 带来的二义性问题，但这样会节约一个单元。golang的 channel 中是通过减少 qcount 字段记录队列长度来解决二义性，一方面不会节约一个存储单元，另一方面当应用 len 函数查看队列长度时候，能够间接返回 qcount 字段，两全其美。

当咱们须要读取的数据的时候间接从 recvx 指针上的元素取，而写就从 sendx 地位写入元素，如图：

sendq & recvq

当写入数据的如果缓冲区曾经满或者读取的缓冲区曾经没有数据的时候，就会产生协程阻塞。

如果写阻塞的时候会把以后的协程退出到 sendq 的队列中，直到有一个 recvq 发动了一个读取的操作，那么写的队列就会被程序唤醒进行工作。

当缓冲区满了所有的 g-w 则被退出 sendq 队列期待 g-r 有操作就被唤醒 g-w，持续工作，这种设计和操作系统的外面thread 的5种状态很靠近了，能够看出 go 的设计者在可能参考过操作系统的 thread 设计。

当然下面只是我简述整个个过程，实际上 go 还做了其余细节优化，sendq不为空的时候，并且没有缓冲区，也就是无缓冲区通道，此时会从 sendq 第一个协程中拿取数据，有趣味的 gopher 能够去本人查看源代码，本文也是最近笔者在看到这块源代码的笔记总结。

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