本文来自 Go待业训练营 小韬同学的投稿。
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注释
咱们在学习与应用Go语言的过程中,对channel
并不生疏,channel
是Go语言不同凡响的个性之一,也是十分重要的一环,深刻了解Channel
,置信可能在应用的时候更加的得心应手。
一、Channel根本用法
1、channel类别
channel
在类型上,能够分为两种:
+ 双向channel:既能接管又能发送的channel
+ 单向channel:只能发送或只能接管的channel
,即单向channel
能够为分为:
+ 只写channel
+ 只读channel
申明并初始化如下如下:
func main() { // 申明并初始化 var ch chan string = make(chan string) // 双向channel var readCh <-chan string = make(<-chan string) // 只读channel var writeCh chan<- string = make(chan<- string) // 只写channel }
上述定义中,<-
示意单向的channel
。如果箭头指向chan
,就示意只写channel
,能够往chan
里边写入数据;如果箭头远离chan
,则示意为只读channel
,能够从chan
读数据。
在定义channel时,能够定义任意类型的channel,因而也同样能够定义chan类型的channel。例如:
a := make(chan<- chan int) // 定义类型为 chan int 的写channel b := make(chan<- <-chan int) // 定义类型为 <-chan int 的写channel c := make(<-chan <-chan int) // 定义类型为 <-chan int 的读channel d := make(chan (<-chan int)) // 定义类型为 (<-chan int) 的读channel
当channel
未初始化时,其零值为nil
。nil 是 chan 的零值,是一种非凡的 chan,对值是 nil 的 chan 的发送接管调用者总是会阻塞。
func main() { var ch chan string fmt.Println(ch) // <nil> }
通过make
咱们能够初始化一个channel,并且能够设置其容量的大小,如下初始化了一个类型为string
,其容量大小为512
的channel
:
var ch chan string = make(chan string, 512)
当初始化定义了channel
的容量,则这样的channel
叫做buffered chan
,即有缓冲channel
。如果没有设置容量,channel
的容量为0,这样的channel
叫做unbuffered chan
,即无缓冲channel
。
有缓冲channel
中,如果channel
中还有数据,则从这个channel
接收数据时不会被阻塞。如果channel
的容量还未满,那么向这个channel
发送数据也不会被阻塞,反之则会被阻塞。
无缓冲channel
则只有当读写操作都筹备好后,才不会阻塞,这也是unbuffered chan
在应用过程中十分须要留神的一点,否则可能会呈现常见的bug。
channel的常见操作:
1. 发送数据
往channel发送一个数据应用ch <-
func main() { var ch chan int = make(chan int, 512) ch <- 2000 }
上述的ch
能够是chan int
类型,也能够是单向chan <-int
。
2. 接收数据
从channel接管一条数据能够应用<-ch
func main() { var ch chan int = make(chan int, 512) ch <- 2000 // 发送数据 data := <-ch // 接收数据 fmt.Println(data) // 2000 }
ch 类型是 chan T
,也能够是单向<-chan T
在接收数据时,能够返回两个返回值。第一个返回值返回channel
中的元素,第二个返回值为bool
类型,示意是否胜利地从channel
中读取到一个值。
如果第二个参数是false
,则示意channel
曾经被close
而且channel
中没有缓存的数据,这个时候第一个值返回的是零值。
func main() { var ch chan int = make(chan int, 512) ch <- 2000 // 发送数据 data1, ok1 := <-ch // 接收数据 fmt.Printf("data1 = %d, ok1 = %t\n", data1, ok1) // data1 = 2000, ok1 = true close(ch) // 敞开channel data2, ok2 := <-ch // 接收数据 fmt.Printf("data2 = %d, ok2 = %t", data2, ok2) // data2 = 0, ok2 = false }
所以,如果从channel
读取到一个零值,可能是发送操作真正发送的零值,也可能是closed
敞开channel
并且channel
没有缓存元素产生的零值,这是须要留神判断的一个点。
3. 其余操作
Go内建的函数close
、cap
、len
都能够对chan
类型进行操作。
+ close
:敞开channel。
+ cap
:返回channel的容量。
+ len
:返回channel缓存中还未被取走的元素数量。
func main() { var ch chan int = make(chan int, 512) ch <- 100 ch <- 200 fmt.Println("ch len:", len(ch)) // ch len: 2 fmt.Println("ch cap:", cap(ch)) // ch cap: 512 }
发送操作与接管操作能够作为select
语句中的case clause
,例如:
func main() { var ch = make(chan int, 512) for i := 0; i < 10; i++ { select { case ch <- i: case v := <-ch: fmt.Println(v) } } }
for-range
语句同样能够在chan
中应用,例如:
func main() { var ch = make(chan int, 512) ch <- 100 ch <- 200 ch <- 300 for v := range ch { fmt.Println(v) } } // 执行后果 100 200 300
2、select介绍
在Go语言中,select
语句用于监控一组case
语句,依据特定的条件执行绝对应的case
语句或default
语句,与switch
相似,但不同之处在于select
语句中所有case
中的表达式都必须是channel
的发送或接管操作。select
应用示例代码如下:
select { case <-ch1: fmt.Println("ch1") case ch2 <- 1: fmt.Println("ch2") }
上述代码中,select
关键字让以后goroutine
同时期待ch1
的可读和ch2
的可写,在满足任意一个case
分支之前,select
会始终阻塞上来,直到其中的一个 channel
转为就绪状态时执行对应case
分支的代码。如果多个channel
同时就绪的话则随机抉择一个case
执行。
当应用空select
时,空的 select
语句会间接阻塞以后的goroutine
,使得该goroutine
进入无奈被唤醒的永恒休眠状态。空select
,即select
内不蕴含任何case
。
select{ }
另外当select
语句内只有一个case
分支时,如果该case
分支不满足,那么以后select
就变成了一个阻塞的channel
读/写操作。
select { case <-ch1: fmt.Println("ch1") }
上述select
中,当ch1
可读时,会执行打印操作,反之则阻塞以后goroutine
。
当select
语句内蕴含default
分支时,如果select
内的所有case
都不满足,则会执行default
分支的逻辑,用于当其余case
都不满足时执行一些默认操作。
select { case <-ch1: fmt.Println("ch1") case ch2 <- 1: fmt.Println("ch2") default: fmt.Println("default") }
上述代码中,当ch1
可读或ch2
可写时,会执行相应的打印操作,否则就执行default
语句中的代码,相当于一个非阻塞的channel
读取操作。
select
的应用能够总结为:
+ select
不存在任何的case
且没有default
分支:永恒阻塞以后 goroutine;
+ select
只存在一个case
且没有default
分支:阻塞的发送/接管;
+ select
存在多个case
:随机抉择一个满足条件的case
执行;
+ select
存在default
,其余case
都不满足时:执行default
语句中的代码;
二、Channel实现原理
从代码的角度分析channel
的实现,可能让咱们更好的去应用channel
。
咱们能够从chan
类型的数据结构、初始化以及三个操作发送、接管和敞开这几个方面来理解channel
。
1、chan数据结构
chan类型的数据结构定义位于runtime.hchan,其构造体定义如下:
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 }
解释一下上述各个字段的意义:
+ qcount
:示意chan
中曾经接管到的数据且还未被取走的元素个数。内建函数len
能够返回这个字段的值。
+ datasiz
:循环队列的大小。chan
在实现上应用一个循环队列来寄存元素的个数,循环队列实用于生产者-消费者的场景。
+ buf
:寄存元素的循环队列buffer
,buf
字段是一个指向队列缓冲区的指针,即指向一个dataqsiz
元素的数组。buf
字段是应用 unsafe.Pointer
类型来示意队列缓冲区的起始地址。unsafe.Pointer
是一种非凡的指针类型,它能够用于指向任何类型的数据。因为队列缓冲区的类型是动态分配的,所以不能间接应用某个具体类型的指针来示意。
+ elemtype
、elemsize
:elemtype
示意chan中元素的数据类型,elemsize
示意其大小。当chan定义后,它的元素类型是固定的,即一般类型或者指针类型,因而元素大小也是固定的。
+ sendx
:解决发送数据操作的指针在buf队列中的地位。当channel接管到了新的数据时,该指针就会加上elemsize
,挪动到下一个地位。buf
的总大小是elemsize
的整数倍且buf
是一个循环列表。
+ recvx
:解决接收数据操作的指针在buf
队列中的地位。当从buf中取出数据,此指针会挪动到下一个地位。
+ recvq
:当接管操作发现channel
中没有数据可读时,会被则色,此时会被退出到recvq
队列中。
+ sendq
:当发送操作发现buf
队列已满时,会被进行阻塞,此时会被退出到sendq
队列中。
<p align=center><img src="https://p9-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/ddc1b911e2ac40b9ad73bff9647e4dc0~tplv-k3u1fbpfcp-jj-mark:0:0:0:0:q75.image#?w=395&h=524&s=37043&e=png&b=fbf7f6" alt="image.png" /></p>
2、chan初始化
channel
在进行初始化时,Go编译器会依据是否传入容量的大小,来抉择调用makechan64
,还是makechan
。makechan64
在实现上底层还是调用makechan
来进行初始化,makechan64
只是对size
做了查看。
makechan
函数依据chan
的容量的大小和元素的类型不同,初始化不同的存储空间。省略一些查看代码,makechan
函数的次要逻辑如下:
func makechan(t *chantype, size int) *hchan { elem := t.elem ... mem, overflow := math.MulUintptr(elem.size, uintptr(size)) ... var c *hchan switch { case mem == 0: // 队列或元素大小为零,不用创立buf c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true)) c.buf = c.raceaddr() case elem.ptrdata == 0: // 元素不蕴含指针,调配一块间断的内存给hchan数据结构和buf // hchan数据结构前面紧接着就是buf,在一次调用中调配hchan和buf c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true)) c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize) default: // 元素蕴含指针,独自调配buf c = new(hchan) c.buf = mallocgc(mem, elem, true) } // 记录元素大小、类型、容量 c.elemsize = uint16(elem.size) c.elemtype = elem c.dataqsiz = uint(size) lockInit(&c.lock, lockRankHchan) ... return c }
3、send发送操作
Go在编译发送数据给channel
时,会把发送操作send
转换成chansend1
函数,而chansend1
函数会调用chansend
函数。
func chansend1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) { chansend(c, elem, true, getcallerpc()) }
咱们能够来分段剖析chansend
函数的实现逻辑。
第一局部:
次要是对chan
进行判断,判断chan
是否为nil
,若为nil
,则判断是否须要将以后goroutine
进行阻塞,阻塞通过gopark
来对调用者goroutine park
(阻塞休眠)。
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool { // 第一局部 if c == nil { // 判断chan是否为nil if !block { // 判断是否须要阻塞以后goroutine return false } // 调用这goroutine park,进行阻塞休眠 gopark(nil, nil, waitReasonChanSendNilChan, traceEvGoStop, 2) throw("unreachable") } ... }
第二局部
第二局部的逻辑判断是当你往一个容量已满的chan
实例发送数据,且不想以后调用的goroutine
被阻塞时(chan
未被敞开),那么解决的逻辑是间接返回。
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool { ... // 第二局部 if !block && c.closed == 0 && full(c) { return false } ... }
第三局部
第三局部的逻辑判断是首先进行互斥锁加锁,而后判断以后chan
是否敞开,如果chan
曾经被close
了,则开释互斥锁并panic
,即对已敞开的chan
发送数据会panic
。
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool { ... // 第三局部 lock(&c.lock) // 开始加锁 if c.closed != 0 { // 判断channel是否敞开 unlock(&c.lock) panic(plainError("send on closed channel")) } ... }
第四局部
第四局部的逻辑次要是判断接管队列中是否有正在期待的接管方receiver
。如果存在正在期待的receiver
(阐明此时buf
中没有缓存的数据),则将他从接管队列中弹出,间接将须要发送到channel
的数据交给这个receiver
,而无需放入到buf
中,让发送操作速度更快一些。
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool { ... // 第四局部 if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil { // 找到了一个正在期待的接收者。咱们传递咱们想要发送的值 // 间接传递给receiver接收者,绕过channel buf缓存区(如果receiver有的话) send(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3) return true } ... }
第五局部
当期待队列中并没有正在期待的receiver
,则阐明以后buf
还没有满,此时将发送的数据放入到buf
中。
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool { ... // 第五局部 if c.qcount < c.dataqsiz { // 判断buf是否满了 // channel buf还有可用的空间. 将发送数据入buf循环队列. qp := chanbuf(c, c.sendx) if raceenabled { racenotify(c, c.sendx, nil) } typedmemmove(c.elemtype, qp, ep) c.sendx++ if c.sendx == c.dataqsiz { c.sendx = 0 } c.qcount++ unlock(&c.lock) return true } ... }
第六局部
当逻辑走到第六局部,阐明正在解决buf
已满的状况。如果buf
已满,则发送操作的goroutine
就会退出到发送者的期待队列,直到被唤醒。当goroutine
被唤醒时,数据或者被取走了,或者chan
曾经被敞开了。
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool { ... // 第六局部 // chansend1函数调用不会进入if块里,因为chansend1的block=true if !block { unlock(&c.lock) return false } ... c.sendq.enqueue(mysg) // 退出发送队列 ... gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanSend, traceEvGoBlockSend, 2) // 阻塞 ... }
4、recv接管操作
从channel
中接收数据时,Go会将代码转换成chanrecv1
函数。如果须要返回两个返回值,则会转换成chanrecv2
,chanrecv1
函数和chanrecv2
都会调用chanrecv
函数。chanrecv1
和chanrecv2
传入的 block
参数的值是true
,两种调用都是阻塞形式,因而在剖析chanrecv
函数的实现时,能够不思考 block=false
的状况。
// 从已编译代码中进入 <-c 的入口点 func chanrecv1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) { chanrecv(c, elem, true) } func chanrecv2(c *hchan, elem unsafe.Pointer) (received bool) { _, received = chanrecv(c, elem, true) return }
同样,省略一些查看类的代码,咱们也能够分段剖析chanrecv
函数的逻辑。
第一局部
第一局部次要判断以后进行接管操作的chan
实例是否为nil
,若为nil
,则从nil chan
中接收数据的调用这goroutine
会被阻塞。
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) { ... // 第一局部 if c == nil { // 判断chan是否为nil if !block { // 是否阻塞,默认为block=true return } // 进行阻塞 gopark(nil, nil, waitReasonChanReceiveNilChan, traceEvGoStop, 2) throw("unreachable") } ... }
第二局部
这一部分只有是思考block=false
且c
为空的状况,block=false
的状况咱们能够不做思考。
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) { ... // 查看未取得锁的失败非阻塞操作。 if !block && empty(c) { ... } ... }
第三局部
第三局部的逻辑为判断以后chan
是否被敞开,若以后chan
曾经被close
了,并且缓存队列中没有缓冲的元素时,返回true
、false
。
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) { ... lock(&c.lock) // 加锁,返回时开释锁 // 第三局部 if c.closed != 0 { // 当chan已被敞开时 if c.qcount == 0 { // 且 buf区 没有缓存的数据了 ... unlock(&c.lock) // 解锁 if ep != nil { typedmemclr(c.elemtype, ep) } return true, false } } ... }
第四局部
第四局部是解决通道未敞开且buf
缓存队列已满的状况。只有当缓存队列已满时,才可能从发送期待队列获取到sender
。若以后的chan
为unbuffer
的chan
,即无缓冲区channel
时,则间接将sender
的发送数据传递给receiver
。否则就从缓存队列的头部读取一个元素值,并将获取的sender
携带的值退出到buf
循环队列的尾部。
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) { ... if c.closed != 0 { // 当chan已被敞开时 } else { // 第四局部,通道未敞开 // 如果sendq队列中有期待发送的sender if sg := c.sendq.dequeue(); sg != nil { // 存在正在期待的sender,如果缓存区的容量为0则间接将发送方的值传递给接管方 // 反之,则从缓存队列的头部获取数据,并将获取的sender的发送值退出到缓存队列尾部 recv(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3) return true, true } } ... }
第五局部
第五局部的次要逻辑是解决发送队列中没有期待的sender
且buf
中有缓存的数据。该段逻辑与外出的互斥锁共用一把锁,因而不存在并发问题。当buf
缓存区有缓存元素时,则取出该元素传递给receiver
,同时挪动接管指针。
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) { ... // 第五局部 if c.qcount > 0 { // 发送队列中没有期待的sender,且buf中有缓存数据 // 间接从缓存队列中获取数据 qp := chanbuf(c, c.recvx) if raceenabled { racenotify(c, c.recvx, nil) } if ep != nil { typedmemmove(c.elemtype, ep, qp) } typedmemclr(c.elemtype, qp) c.recvx++ // 挪动接管指针 if c.recvx == c.dataqsiz { // 指针若已到开端则进行重置(循环队列) c.recvx = 0 } c.qcount-- // 获取数据后,buf缓存区元素个数减一 unlock(&c.lock) // 解锁 return true, true } if !block { // block=true unlock(&c.lock) return false, false } ... }
第六局部
第六局部的逻辑次要是解决buf
缓存区中没有缓存数据的状况。当buf
缓存区没有缓存数据时,那么以后的receiver
就会被阻塞,直到它从sender
中接管了数据,或者是chan
被close
,才会返回。
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) { ... c.recvq.enqueue(mysg) // 将以后接管操作入接管队列 ... // 进行阻塞,期待唤醒 gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanReceive, traceEvGoBlockRecv, 2) ... }
5、close敞开
close
函数次要用于channel
的敞开,Go编译器会替换成closechan
函数的调用。省略一些查看下的代码后,closechan
函数的次要逻辑如下:
+ 如果以后chan
为nil
,则间接panic
+ 如果以后chan
已敞开,再次close
则间接panic
+ 如果chan
不为nil
,chan
也没有closed
,就把期待队列中的 sender(writer)
和 receiver(reader)
从队列中全副移除并唤醒。
func closechan(c *hchan) { if c == nil { // 若以后chan未nil,则间接panic panic(plainError("close of nil channel")) } lock(&c.lock) // 加锁 if c.closed != 0 { // 若以后chan曾经敞开,则间接panic unlock(&c.lock) panic(plainError("close of closed channel")) } ... c.closed = 1 // 设置以后channel的状态为已敞开 var glist gList // 开释接管队列中所有的reader 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) } // 开释发送队列中所有的writer (它们会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) for !glist.empty() { gp := glist.pop() gp.schedlink = 0 goready(gp, 3) } }
三、总结
通过学习channel
的根本应用,理解其操作背地的实现原理,能够帮忙咱们更好的应用channel
,防止一些操作不当而导致的panic
或者说是bug
,让咱们在应用channel
时可能更加的得心应手。
channel
的值和状态有多种状况,而不同的操作(send、recv、close)
又可能失去不同的后果,这是应用 channel
类型时须要常常留神的点,咱们能够将不同channel
值下的不同操作进行一个总结,特地留神操作channel
时会产生panic
的状况,曾经可能会导致线程阻塞的状况,都是有可能导致死锁与goroutine
透露的罪魁祸首。
| channel执行操作\channel状态 | channel为nil | channel buf为空 | channel buf已满 | channel buf未满且不为空 | channel已敞开 |
| --------------------------- | ------------ | ------------------------------ | ----------------------------- | ----------------------------- | ------------------- |
| receive
接管操作 | 阻塞 | 阻塞 | 读取数据 | 读取数据 | 返回buf中缓存的数据 |
| send
发送操作 | 阻塞 | 写入数据 | 阻塞 | 写入数据 | panic |
| close
敞开 | panic | 敞开channel,buf中没有缓存数据 | 敞开channel,保留已缓存的数据 | 敞开channel,保留已缓存的数据 | panic
又出问题啦
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