Golang中Channel的实现原理

CSP模型

要想理解 channel 要先知道 CSP 模型。CSP 是 Communicating Sequential Process 的简称，中文可以叫做通信顺序进程，是一种并发编程模型，由 Tony Hoare 于 1977 年提出。简单来说，CSP 模型由并发执行的实体（线程或者进程）所组成，实体之间通过发送消息进行通信，这里发送消息时使用的就是通道，或者叫 channel。CSP 模型的关键是关注 channel，而不关注发送消息的实体。Go 语言实现了 CSP 部分理论，goroutine 对应 CSP 中并发执行的实体，channel 也就对应着 CSP 中的 channel。

channel分类

channel 分为无缓冲 channel 和有缓冲 channel。两者的区别如下：

无缓冲：发送和接收动作是同时发生的。如果没有 goroutine 读取 channel （<- channel），则发送者 (channel <-) 会一直阻塞。

Golang中Channel的实现原理

有缓冲：缓冲 channel 类似一个有容量的队列。当队列满的时候发送者会阻塞；当队列空的时候接收者会阻塞。

Golang中Channel的实现原理

channel的底层实现

Go语言channel是first-class的，意味着它可以被存储到变量中，可以作为参数传递给函数，也可以作为函数的返回值返回。作为Go语言的核心特征之一，虽然channel看上去很高端，但是其实channel仅仅就是一个数据结构而已，结构体定义如下：

type hchan struct {
	qcount   uint           // 队列q中总的数据量（容量）
	dataqsiz uint           //环形队列q的数据大小
	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  // 因读(recv)而阻塞的等待队列
	sendq    waitq  // 因写(send)而阻塞的等待队列

	// 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
}

让我们来看一个hchan这个结构体。其中一个核心的部分是存放channel数据的环形队列，由qcount和elemsize分别指定了队列的容量和当前使用量。dataqsize是队列的大小。elemalg是元素操作的一个Alg结构体，记录下元素的操作，如copy函数，equal函数，hash函数等。

可能会有人疑惑，结构体中只看到了队列大小相关的域，并没有看到存放数据的域啊？如果是带缓冲区的chan，则缓冲区数据实际上是紧接着hchan结构体中分配的。

c = (hchan*)runtime.mal(n + hint*elem->size);

另一个重要部分就是recvq和sendq两个链表，一个是因读这个通道而导致阻塞的goroutine，另一个是因为写这个通道而阻塞的goroutine。如果一个goroutine阻塞于channel了，那么它就被挂在recvq或sendq中。

waitq是链表的定义，包含一个头结点和一个尾结点：

type waitq struct {
	first *sudog
	last  *sudog
}

队列中的每个成员是一个sudog结构体变量。

type sudog struct {
	// The following fields are protected by the hchan.lock of the
	// channel this sudog is blocking on. shrinkstack depends on
	// this for sudogs involved in channel ops.

	g *g

	// isSelect indicates g is participating in a select, so
	// g.selectDone must be CAS'd to win the wake-up race.
	isSelect bool
	next     *sudog
	prev     *sudog
	elem     unsafe.Pointer // data element (may point to stack)

	// The following fields are never accessed concurrently.
	// For channels, waitlink is only accessed by g.
	// For semaphores, all fields (including the ones above)
	// are only accessed when holding a semaRoot lock.

	acquiretime int64
	releasetime int64
	ticket      uint32
	parent      *sudog // semaRoot binary tree
	waitlink    *sudog // g.waiting list or semaRoot
	waittail    *sudog // semaRoot
	c           *hchan // channel
}

该结构中主要的就是一个g和一个elem。elem用于存储goroutine的数据。读通道时，数据会从hchan的队列中拷贝到sudog的elem域。写通道时，数据则是由sudog的elem域拷贝到hchan的队列中。

hchan结构如下图所示:

Golang中Channel的实现原理

读写channel操作

先看写channel的操作，基本的写channel操作，在底层运行时库中对应的是一个runtime.chansend函数。

c <- v

在运行时库中会执行：

func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool

其中c就是channel，ep是取变量v的地址。这里的传值约定是调用者负责分配好ep的空间，仅需要简单的取变量地址就够了。

这个函数首先会区分是同步还是异步。同步是指chan是不带缓冲区的，因此可能写阻塞，而异步是指chan带缓冲区，只有缓冲区满才阻塞。

在同步的情况下，由于channel本身是不带数据缓存的，这时首先会查看hchan结构体中的recvq链表时否为空，即是否有因为读该管道而阻塞的goroutine。如果有则可以正常写channel，否则操作会阻塞。

recvq不为空的情况下，将一个sudog结构体出队列，将传给通道的数据(函数参数ep)拷贝到sudog结构体中的elem域，并将sudog中的g放到就绪队列中，状态置为ready，然后函数返回。

如果recvq为空，否则要将当前goroutine阻塞。此时将一个sudog结构体，挂到通道的sendq链表中，这个sudog中的elem域是参数eq，sudog中的g是当前的goroutine。当前goroutine会被设置为waiting状态并挂到等待队列中。

在异步的情况，如果缓冲区满了，也是要将当前goroutine和数据一起作为sudog结构体挂在sendq队列中，表示因写channel而阻塞。否则也是先看有没有recvq链表是否为空，有就唤醒。

跟同步不同的是在channel缓冲区不满的情况，这里不会阻塞写者，而是将数据放到channel的缓冲区中，调用者返回。

读channel的操作也是类似的，对应的函数是runtime. chanrecv。一个是收一个是发，基本的过程都是差不多的。

需要注意的是几种特殊情况下的通道操作--空通道和关闭的通道。

空通道是指将一个channel赋值为nil，或者定义后不调用make进行初始化。按照Go语言的语言规范，读写空通道是永远阻塞的。其实在函数runtime.chansend和runtime.chanrecv开头就有判断这类情况，如果发现参数c是空的，则直接将当前的goroutine放到等待队列，状态设置为waiting。

读一个关闭的通道，永远不会阻塞，会返回一个通道数据类型的零值。这个实现也很简单，将零值复制到调用函数的参数ep中。写一个关闭的通道，则会panic。关闭一个空通道，也会导致panic。

select的实现

select-case中的chan操作编译成了if-else。比如：

select {
case v = <-c:
        ...foo
default:
        ...bar
}
//会被编译为:
if selectnbrecv(&v, c) {
        ...foo
} else {
        ...bar
}


//类似地
select {
case v, ok = <-c:
    ... foo
default:
    ... bar
}
//会被编译为:
if c != nil && selectnbrecv2(&v, &ok, c) {
    ... foo
} else {
    ... bar
}

接下来就是看一下selectnbrecv相关的函数了。其实没有任何特殊的魔法，这些函数只是简单地调用runtime.chanrecv函数，只不过设置了一个参数，告诉当runtime.chanrecv函数，当不能完成操作时不要阻塞，而是返回失败。也就是说，所有的select操作其实都仅仅是被换成了if-else判断，底层调用的不阻塞的通道操作函数。

在Go的语言规范中，select中的case的执行顺序是随机的，而不像switch中的case那样一条一条的顺序执行。那么，如何实现随机呢？

select和case关键字使用了下面的结构体：

// Select case descriptor.
// Known to compiler.
// Changes here must also be made in src/cmd/internal/gc/select.go's selecttype.
type scase struct {
	elem        unsafe.Pointer // data element
	c           *hchan         // chan
	pc          uintptr        // return pc (for race detector / msan)
	kind        uint16
	receivedp   *bool // pointer to received bool, if any
	releasetime int64
}

// Select statement header.
// Known to compiler.
// Changes here must also be made in src/cmd/internal/gc/select.go's selecttype.
type hselect struct {
	tcase     uint16   // total count of scase[](总的scase[]数量)
	ncase     uint16   // currently filled scase[]（当前填充了的scase[]数量）
	pollorder *uint16  // case poll order（case的poll次序）
	lockorder *uint16  // channel lock order （channel的锁住的次序）
	scase     [1]scase // one per case (in order of appearance)  （每个case会在结构体里有一个scase，顺序是按出现的次序）
}

每个select都对应一个hselect 结构体。在hselect 数据结构中有个scase数组，记录下了每一个case，而中包含了hchan。然后pollorder数组将元素随机排列，这样就可以将scase乱序了。

本文主要摘自：《深入解析go内核实现》

http://legendtkl.com/2017/07/30/understanding-golang-channel/

网页地址：https://www.laojiyou.com/books/shenrujiexigo/03.3.html

pdf下载地址：https://download.csdn.net/download/skh2015java/10967224

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