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关于golang:golangchannel详解

jiezi

golang channel 详解

前言

CSP: 不要通过共享内存来通信，而要通过通信来实现内存共享，它是 Go 的并发哲学，基于 channel 实现。
Channel 是 Go 中的一个外围类型，你能够把它看成一个管道，通过它并发外围单元就能够发送或者接收数据进行通信 (communication)。

数据结构

runtime/chan.go

type hchan struct {
    qcount   uint           // 队列中残余元素
    dataqsiz uint           // 队列长度，eg make(chan int64, 5), dataqsiz 为 5
    buf      unsafe.Pointer // 数据存储环形数组
    elemsize uint16         // 每个元素的大小
    closed   uint32         // 是否敞开 0 未敞开
    elemtype *_type         // 元素类型
    sendx    uint           // 发送者写入地位
    recvx    uint           // 接受者读数据地位
    recvq    waitq          // 接收者队列，保留正在读取 channel 的 goroutian
    sendq    waitq          // 发送者队列，保留正在发送 channel 的 goroutian
    lock     mutex          // 锁
}

waitq 是双向链表，sudog 为 goroutian 的封装 

type waitq struct {
    first *sudog
    last  *sudog
}

make(chan int, 6)

上图为一个长度为 6，类型为 int, 两个接收者，三个发送者的 channel，以后接收者筹备读数据的地位为 0，发送者发送数据地位为 4

留神，个别状况下 recvq 和 sendq 至多有一个为空。只有一个例外，那就是同一个 goroutine 应用 select 语句向 channel 一边写数据，一边读数据。

channel 创立

创立 channel 的过程实际上是初始化 hchan 构造。其中类型信息和缓冲区长度由 make 语句传入，buf 的大小则与元素大小和缓冲区长度独特决定。
runtime/chan.go line:71

func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
    elem := t.elem
    //...
    var c *hchan
    // 创立 hchan 构造并分配内存
    switch {
    // 无缓冲区
    case mem == 0:
        c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true))
        c.buf = c.raceaddr()
    // 元素不含指针
    case elem.ptrdata == 0:
        c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true))
        c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)
    default:
     // 默认场景，构造体和 buffer 独自分配内存
        c = new(hchan)
        c.buf = mallocgc(mem, elem, true)
    }

    // 元素大小
    c.elemsize = uint16(elem.size)
    // 元素类型
    c.elemtype = elem
    // 队列长度
    c.dataqsiz = uint(size)

    //...
    return c
}

写数据

  1. 如果期待接管队列 recvq 不为空，阐明缓冲区中没有数据或者没有缓冲区，此时间接从 recvq 取出 G, 并把数据写入，最初把该 G 唤醒，完结发送过程；
  2. 如果缓冲区中有空余地位，将数据写入缓冲区，完结发送过程；
  3. 如果缓冲区中没有空余地位，将待发送数据写入 G，将以后 G 退出 sendq，进入睡眠，期待被读 goroutine 唤醒；

写数据代码解析

写数据分为阻塞写和非阻塞写 代码示例：

c := make(chan int64)
    c <- 1 // 阻塞写

    // 非阻塞写
    select {
    case c <- 1:
        //do something
        break
    default:
        //do something
    }

对应源码里两个函数：

// 非阻塞
func selectnbsend(c *hchan, elem unsafe.Pointer) (selected bool) {return chansend(c, elem, false, getcallerpc())
}
// 阻塞
func chansend1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {chansend(c, elem, true, getcallerpc())
}

留神：非阻塞写必须带上 default

chansend 源码 

// 位于 src/runtime/chan.go
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
    // 如果 channel 是 nil
    if c == nil {
        // 不能阻塞，间接返回 false，示意未发送胜利
        if !block {return false}
        // 以后 goroutine 被挂起
        gopark(nil, nil, "chan send (nil chan)", traceEvGoStop, 2)
        throw("unreachable")
    }
    // 省略 debug 相干……
    // 对于不阻塞的 send，疾速检测失败场景
    //
    // 如果 channel 未敞开且 channel 没有多余的缓冲空间。这可能是：// 1. channel 是非缓冲型的，且期待接管队列里没有 goroutine
    // 2. channel 是缓冲型的，但循环数组曾经装满了元素
    if !block && c.closed == 0 && ((c.dataqsiz == 0 && c.recvq.first == nil) ||
        (c.dataqsiz > 0 && c.qcount == c.dataqsiz)) {return false}
    var t0 int64
    if blockprofilerate > 0 {t0 = cputicks()
    }
    // 锁住 channel，并发平安
    lock(&c.lock)
    // 如果 channel 敞开了
    if c.closed != 0 {
        // 解锁
        unlock(&c.lock)
        // 间接 panic
        panic(plainError("send on closed channel"))
    }
    // 如果接管队列里有 goroutine，间接将要发送的数据拷贝到接管 goroutine
    if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {send(c, sg, ep, func() {unlock(&c.lock) }, 3)
        return true
    }
    // 对于缓冲型的 channel，如果还有缓冲空间
    if c.qcount < c.dataqsiz {
        // qp 指向 buf 的 sendx 地位
        qp := chanbuf(c, c.sendx)
        // ……
        // 将数据从 ep 处拷贝到 qp
        typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)
        // 发送游标值加 1
        c.sendx++
        // 如果发送游标值等于容量值，游标值归 0
        if c.sendx == c.dataqsiz {c.sendx = 0}
        // 缓冲区的元素数量加一
        c.qcount++
        // 解锁
        unlock(&c.lock)
        return true
    }
    // 如果不须要阻塞，则间接返回谬误
    if !block {unlock(&c.lock)
        return false
    }
    // channel 满了，发送方会被阻塞。接下来会结构一个 sudog
    // 获取以后 goroutine 的指针
    gp := getg()
    mysg := acquireSudog()
    mysg.releasetime = 0
    if t0 != 0 {mysg.releasetime = -1}
    mysg.elem = ep
    mysg.waitlink = nil
    mysg.g = gp
    mysg.selectdone = nil
    mysg.c = c
    gp.waiting = mysg
    gp.param = nil
    // 以后 goroutine 进入发送期待队列
    c.sendq.enqueue(mysg)
    // 以后 goroutine 被挂起
    goparkunlock(&c.lock, "chan send", traceEvGoBlockSend, 3)
    // 从这里开始被唤醒了（channel 有机会能够发送了）if mysg != gp.waiting {throw("G waiting list is corrupted")
    }
    gp.waiting = nil
    if gp.param == nil {
        if c.closed == 0 {throw("chansend: spurious wakeup")
        }
        // 被唤醒后，channel 敞开了。坑爹啊，panic
        panic(plainError("send on closed channel"))
    }
    gp.param = nil
    if mysg.releasetime > 0 {blockevent(mysg.releasetime-t0, 2)
    }
    // 去掉 mysg 上绑定的 channel
    mysg.c = nil
    releaseSudog(mysg)
    return true
}

读数据

  1. 如果期待发送队列 sendq 不为空，且没有缓冲区，间接从 sendq 中取出 G，把 G 中数据读出，最初把 G 唤醒，完结读取过程；
  2. 如果期待发送队列 sendq 不为空，此时阐明缓冲区已满，从缓冲区中首部读出数据，把 G 中数据写入缓冲区尾部，把 G 唤醒，完结读取过程；
  3. 如果缓冲区中有数据，则从缓冲区取出数据，完结读取过程；
  4. 将以后 goroutine 退出 recvq，进入睡眠，期待被写 goroutine 唤醒；

读数据代码解析

读数据分为阻塞读和非阻塞读 代码示例：

c := make(chan int, 10)
<-c // 阻塞读

//select 读带 default 为非阻塞读
select{
case <-c:
    //...
    break
default:
    //...
}

留神：非阻塞读必须带上 default

接管操作有两种写法，一种带“ok”，反馈 channel 是否敞开；一种不带“ok”，这种写法，当接管到相应类型的零值时无奈晓得是实在的发送者发送过去的值，还是 channel 被敞开后，返回给接收者的默认类型的零值，代码示例：

c := make(chan int64, 5)
    c <- 0
    v, ok := <-c
    fmt.Println(v, ok) // 0, true
    close(c)
    v, ok = <-c 
    fmt.Println(v, ok) // 0, false

最初对应源码里的这四个函数：


// 非阻塞读不带 ok 返回
func selectnbrecv(elem unsafe.Pointer, c *hchan) (selected bool) {selected, _ = chanrecv(c, elem, false)
    return
}

// 非阻塞读带 Ok 返回
func selectnbrecv2(elem unsafe.Pointer, received *bool, c *hchan) (selected bool) {// TODO(khr): just return 2 values from this function, now that it is in Go.
  selected, *received = chanrecv(c, elem, false)
   return
}

// 阻塞读不带 ok 返回
func chanrecv1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {chanrecv(c, elem, true)
}

// 阻塞读带 ok 返回
func chanrecv2(c *hchan, elem unsafe.Pointer) (received bool) {_, received = chanrecv(c, elem, true)
   return
}

能够看进去，最终都指向了 chanrecv 函数，如果有接管值，val := <-c，会把接管值放到 elem 的地址中，如果疏忽接管值间接写 <-c，这时 elem 为 nil
上面来看看 chanrecv 的代码 

// 位于 src/runtime/chan.go
// chanrecv 函数接管 channel c 的元素并将其写入 ep 所指向的内存地址。// 如果 ep 是 nil，阐明疏忽了接管值。// 如果 block == false，即非阻塞型接管，在没有数据可接管的状况下，返回 (false, false)
// 否则，如果 c 处于敞开状态，将 ep 指向的地址清零，返回 (true, false)
// 否则，用返回值填充 ep 指向的内存地址。返回 (true, true)
// 如果 ep 非空，则应该指向堆或者函数调用者的栈
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
    // 省略 debug 内容 …………
    // 如果是一个 nil 的 channel
    if c == nil {// 如果不阻塞，间接返回 (false, false)
        if !block {return}
        // 否则，接管一个 nil 的 channel，goroutine 挂起
        gopark(nil, nil, "chan receive (nil chan)", traceEvGoStop, 2)
        // 不会执行到这里
        throw("unreachable")
    }
    // 在非阻塞模式下，疾速检测到失败，不必获取锁，疾速返回
    // 当咱们察看到 channel 没筹备好接管：// 1. 非缓冲型，期待发送列队 sendq 里没有 goroutine 在期待
    // 2. 缓冲型，但 buf 里没有元素
    // 之后，又察看到 closed == 0，即 channel 未敞开。// 因为 channel 不可能被反复关上，所以前一个观测的时候 channel 也是未敞开的，// 因而在这种状况下能够间接发表接管失败，返回 (false, false)
    // 非阻塞 && ((非缓冲型 && 发送队列为空) || (缓冲性 && 没有数据)) && 没有敞开
    if !block && (c.dataqsiz == 0 && c.sendq.first == nil ||
        c.dataqsiz > 0 && atomic.Loaduint(&c.qcount) == 0) &&
        atomic.Load(&c.closed) == 0 {return}
    var t0 int64
    if blockprofilerate > 0 {t0 = cputicks()
    }
    // 加锁
    lock(&c.lock)
    // channel 已敞开，并且循环数组 buf 里没有元素
    // 这里能够解决非缓冲型敞开 和 缓冲型敞开但 buf 无元素的状况
    // 也就是说即便是敞开状态，但在缓冲型的 channel，// buf 里有元素的状况下还能接管到元素
    if c.closed != 0 && c.qcount == 0 {
        if raceenabled {raceacquire(unsafe.Pointer(c))
        }
        // 解锁
        unlock(&c.lock)
        if ep != nil {
            // 从一个已敞开的 channel 执行接管操作，且未疏忽返回值
            // 那么接管的值将是一个该类型的零值
            // typedmemclr 依据类型清理相应地址的内存
            typedmemclr(c.elemtype, ep)
        }
        // 从一个已敞开的 channel 接管，selected 会返回 true
        return true, false
    }
    // 期待发送队列里有 goroutine 存在，阐明 buf 是满的
    // 这有可能是：// 1. 非缓冲型的 channel
    // 2. 缓冲型的 channel，但 buf 满了
    // 针对 1，间接进行内存拷贝（从 sender goroutine -> receiver goroutine）// 针对 2，接管到循环数组头部的元素，并将发送者的元素放到循环数组尾部
    if sg := c.sendq.dequeue(); sg != nil {
        // Found a waiting sender. If buffer is size 0, receive value
        // directly from sender. Otherwise, receive from head of queue
        // and add sender's value to the tail of the queue (both map to
        // the same buffer slot because the queue is full).
        recv(c, sg, ep, func() {unlock(&c.lock) }, 3)
        return true, true
    }
    // 缓冲型，buf 里有元素，能够失常接管
    if c.qcount > 0 {
        // 间接从循环数组里找到要接管的元素
        qp := chanbuf(c, c.recvx)
        // …………
        // 代码里，没有疏忽要接管的值，不是 "<- ch"，而是 "val <- ch"，ep 指向 val
        if ep != nil {typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
        }
        // 清理掉循环数组里相应地位的值
        typedmemclr(c.elemtype, qp)
        // 接管游标向前挪动
        c.recvx++
        // 接管游标归零
        if c.recvx == c.dataqsiz {c.recvx = 0}
        // buf 数组里的元素个数减 1
        c.qcount--
        // 解锁
        unlock(&c.lock)
        return true, true
    }
    if !block {
        // 非阻塞接管，解锁。selected 返回 false，因为没有接管到值
        unlock(&c.lock)
        return false, false
    }
    // 接下来就是要被阻塞的状况了
    // 结构一个 sudog
    gp := getg()
    mysg := acquireSudog()
    mysg.releasetime = 0
    if t0 != 0 {mysg.releasetime = -1}
    // 待接收数据的地址保留下来
    mysg.elem = ep
    mysg.waitlink = nil
    gp.waiting = mysg
    mysg.g = gp
    mysg.selectdone = nil
    mysg.c = c
    gp.param = nil
    // 进入 channel 的期待接管队列
    c.recvq.enqueue(mysg)
    // 将以后 goroutine 挂起
    goparkunlock(&c.lock, "chan receive", traceEvGoBlockRecv, 3)
    // 被唤醒了，接着从这里继续执行一些开头工作
    if mysg != gp.waiting {throw("G waiting list is corrupted")
    }
    gp.waiting = nil
    if mysg.releasetime > 0 {blockevent(mysg.releasetime-t0, 2)
    }
    closed := gp.param == nil
    gp.param = nil
    mysg.c = nil
    releaseSudog(mysg)
    return true, !closed
}
func recv(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
    // 如果是非缓冲型的 channel
    if c.dataqsiz == 0 {
        if raceenabled {racesync(c, sg)
        }
        // 未疏忽接管的数据
        if ep != nil {
            // 间接拷贝数据，从 sender goroutine -> receiver goroutine
            recvDirect(c.elemtype, sg, ep)
        }
    } else {
        // 缓冲型的 channel，但 buf 已满。// 将循环数组 buf 队首的元素拷贝到接收数据的地址
        // 将发送者的数据入队。实际上这时 revx 和 sendx 值相等
        // 找到接管游标
        qp := chanbuf(c, c.recvx)
        // …………
        // 将接管游标处的数据拷贝给接收者
        if ep != nil {typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
        }
        // 将发送者数据拷贝到 buf
        typedmemmove(c.elemtype, qp, sg.elem)
        // 更新游标值
        c.recvx++
        if c.recvx == c.dataqsiz {c.recvx = 0}
        c.sendx = c.recvx
    }
    sg.elem = nil
    gp := sg.g
    // 解锁
    unlockf()
    gp.param = unsafe.Pointer(sg)
    if sg.releasetime != 0 {sg.releasetime = cputicks()
    }
    // 唤醒发送的 goroutine。须要等到调度器的光顾
    goready(gp, skip+1)
}

敞开 channel

close 逻辑比较简单，对于一个 channel，recvq 和 sendq 中别离保留了阻塞的发送者和接收者。敞开 channel 后，对于期待接收者而言，会收到一个相应类型的零值。对于期待发送者，会间接 panic。所以，在不理解 channel 还有没有接收者的状况下，不能贸然敞开 channel。

close 函数先上一把大锁，接着把所有挂在这个 channel 上的 sender 和 receiver 全都连成一个 sudog 链表，再解锁。最初，再将所有的 sudog 全都唤醒。

留神：敞开曾经敞开的 channel 或者往一个敞开的 channel 中发送数据会产生 panic

敞开准则：
个别原则上应用通道是不容许接管方敞开通道和  不能敞开一个有多个并发发送者的通道 。换而言之，你只能在发送方的 goroutine 中敞开只有该发送方的通道。

敞开代码解析 

func closechan(c *hchan) {
    // 敞开一个 nil channel，panic
    if c == nil {panic(plainError("close of nil channel"))
    }
    // 上锁
    lock(&c.lock)
    // 如果 channel 曾经敞开
    if c.closed != 0 {unlock(&c.lock)
        // panic
        panic(plainError("close of closed channel"))
    }
    // …………
    // 批改敞开状态
    c.closed = 1
    var glist *g
    // 将 channel 所有期待接管队列的里 sudog 开释
    for {
        // 从接管队列里出队一个 sudog
        sg := c.recvq.dequeue()
        // 出队结束，跳出循环
        if sg == nil {break}
        // 如果 elem 不为空，阐明此 receiver 未疏忽接收数据
        // 给它赋一个相应类型的零值
        if sg.elem != nil {typedmemclr(c.elemtype, sg.elem)
            sg.elem = nil
        }
        if sg.releasetime != 0 {sg.releasetime = cputicks()
        }
        // 取出 goroutine
        gp := sg.g
        gp.param = nil
        if raceenabled {raceacquireg(gp, unsafe.Pointer(c))
        }
        // 相连，造成链表
        gp.schedlink.set(glist)
        glist = gp
    }
    // 将 channel 期待发送队列里的 sudog 开释
    // 如果存在，这些 goroutine 将会 panic
    for {
        // 从发送队列里出队一个 sudog
        sg := c.sendq.dequeue()
        if sg == nil {break}
        // 发送者会 panic
        sg.elem = nil
        if sg.releasetime != 0 {sg.releasetime = cputicks()
        }
        gp := sg.g
        gp.param = nil
        if raceenabled {raceacquireg(gp, unsafe.Pointer(c))
        }
        // 造成链表
        gp.schedlink.set(glist)
        glist = gp
    }
    // 解锁
    unlock(&c.lock)
    // Ready all Gs now that we've dropped the channel lock.
    // 遍历链表
    for glist != nil {
        // 取最初一个
        gp := glist
        // 向前走一步，下一个唤醒的 g
        glist = glist.schedlink.ptr()
        gp.schedlink = 0
        // 唤醒相应 goroutine
        goready(gp, 3)
    }
}
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