Golang中channel的原理解读(推荐)
数据结构
channel的数据结构在$GOROOT/src/runtime/chan.go文件下:
type hchan struct {
qcount uint // 当前队列中剩余元素个数
dataqsiz uint // 环形队列长度，即可以存放的元素个数
buf unsafe.Pointer // 环形队列指针
elemsize uint16 // 每个元素的大小
closed uint32 // 标记是否关闭
elemtype *_type // 元素类型
sendx uint // 队列下标，指向元素写入时存放到队列中的位置
recvx uint // 队列下标，指向元素从队列中读出的位置
recvq waitq // 等待读消息的groutine队列
sendq waitq // 等待写消息的groutine队列
lock mutex // 互斥锁
}
chan内部实现了一个环形队列作为缓冲区，队列的长度在创建chan时指定：
等待队列（recvq/sendq）使用双向链表 runtime.waitq 表示，链表中所有的元素都是 runtime.sudog结构：
type waitq struct {
first *sudog
last *sudog
}
type sudog struct {
g *g
next *sudog
prev *sudog
elem unsafe.Pointer // data element (may point to stack)
acquiretime int64
releasetime int64
ticket uint32
isSelect bool
parent *sudog // semaRoot binary tree
waitlink *sudog // g.waiting list or semaRoot
waittail *sudog // semaRoot
c *hchan // channel
}
创建channel
通常使用make(channel string, 0)的方式创建无缓存的channel，使用make(channel string, 10)创建有缓存的channel。
源码：
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"))
}
var c *hchan
switch {
case mem == 0:
// 如果当前 Channel 中不存在缓冲区，那么就只会为 runtime.hchan 分配一段内存空间；
c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true))
c.buf = c.raceaddr()
case elem.ptrdata == 0:
// 如果当前 Channel 中存储的类型不是指针类型，会为当前的 Channel 和底层的数组分配一块连续的内存空间；
c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true))
c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)
default:
//单独为 runtime.hchan 和缓冲区分配内存；
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)
// 在函数的最后会统一更新elemsize、elemtype 和 dataqsiz 几个字段;
if debugChan {
print("makechan: chan=", c, "; elemsize=", elem.size, "; dataqsiz=", size, "\n")
}
return c
}
channel读写
写
- 当有新数据来时，首先判断recvq中是否有groutine存在，如果recvq不为空，则说明缓冲区为空，或者没有缓冲区，因为如果缓冲区有数据会被recvq里面的groutine消费。此时从recvq中拿出一个groutine并绑定数据，唤醒该groutine执行任务，这个过程跳过了将数据写入缓冲区的过程。
- 如果缓冲区有数据并有空余位置，将数据放入缓冲区。
- 如果缓冲区有数据但没有空余位置，当前groutine绑定数据并放入sendx，进入睡眠，等待被唤醒。
源码：
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"))
}
// 如果Channel 没有被关闭并且已经有处于读等待的 Goroutine，
// 那么从接收队列 recvq 中取出最先陷入等待的 Goroutine 并直接向它发送数据
if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {
send(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
return true
}
// 如果recvq为空且缓冲区中还有剩余空间
if c.qcount < c.dataqsiz {
// 计算出下一个可以存储数据的位置，
qp := chanbuf(c, c.sendx)
// raceenabled: 是否启用数据竞争检测，在编译时指定，默认为false
if raceenabled {
// 发出数据竞争警告
raceacquire(qp)
racerelease(qp)
}
// 将发送的数据拷贝到缓冲区中，产生内存拷贝
typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)
// 增加 sendx 索引
c.sendx++
if c.sendx == c.dataqsiz {
c.sendx = 0
}
// 增加计数器
c.qcount++
unlock(&c.lock)
return true
}
if !block {
unlock(&c.lock)
return false
}
// 将channel数据绑定到当前groutine并使groutine休眠
// 获取发送数据使用的 Goroutine
gp := getg()
// 获取 runtime.sudog 结构并设置这一次阻塞发送的相关信息，
// 例如发送的 Channel、是否在 select 中和待发送数据的内存地址等
mysg := acquireSudog()
mysg.releasetime = 0
if t0 != 0 {
mysg.releasetime = -1
}
// 将刚刚创建并初始化的 mysg 加入发送等待队列，并设置到当前 Goroutine的waiting上，
// 表示 Goroutine 正在等待该sudog准备就绪
mysg.elem = ep
mysg.waitlink = nil
mysg.g = gp
mysg.isSelect = false
mysg.c = c
gp.waiting = mysg
gp.param = nil
c.sendq.enqueue(mysg)
// 休眠groutine
gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanSend, traceEvGoBlockSend, 2)
// 保证传入的数据不被GC
KeepAlive(ep)
// someone woke us up.
if mysg != gp.waiting {
throw("G waiting list is corrupted")
}
gp.waiting = nil
gp.activeStackChans = false
if gp.param == nil {
if c.closed == 0 {
throw("chansend: spurious wakeup")
}
panic(plainError("send on closed channel"))
}
gp.param = nil
if mysg.releasetime > 0 {
blockevent(mysg.releasetime-t0, 2)
}
mysg.c = nil
releaseSudog(mysg)
return true
}
读
- 如果sendx不为空且缓冲区不为空，从缓冲区头部读出数据并在当前G执行任务，在sendx中拿出一个G，将其数据写入缓冲区尾部并唤醒该G。
- 如果sendx不为空且缓冲区为空，直接从sendx中拿出一个G，将G中数据取出并唤醒该G。
- 如果sendx为空且缓冲区不为空，则从缓冲区头部拿出一个数据。
- 如果sendx为空且缓冲区为空，将该G放入recvq，进入休眠，等待被唤醒。
源码：
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
// block：这次接收是否阻塞
if debugChan {
print("chanrecv: chan=", c, "\n")
}
if c == nil {
if !block {
return
}
// 从一个空 Channel 接收数据时会直接让出处理器的使用权
gopark(nil, nil, waitReasonChanReceiveNilChan, traceEvGoStop, 2)
throw("unreachable")
}
// Fast path: check for failed non-blocking operation without acquiring the lock.
if !block && empty(c) {
// 如果channel为空并且未关闭，直接返回
if atomic.Load(&c.closed) == 0 {
return
}
if empty(c) {
// The channel is irreversibly closed and empty.
if raceenabled {
raceacquire(c.raceaddr())
}
if ep != nil {
// 手动标记清楚对象
typedmemclr(c.elemtype, ep)
}
return true, false
}
}
var t0 int64
if blockprofilerate > 0 {
t0 = cputicks()
}
lock(&c.lock)
//如果channel为空，并且已关闭，说明对象不可达
if c.closed != 0 && c.qcount == 0 {
if raceenabled {
raceacquire(c.raceaddr())
}
unlock(&c.lock)
if ep != nil {
// 手动标记清除
typedmemclr(c.elemtype, ep)
}
return true, false
}
// 如果sendq不为空，直接消费，避免sendq --> queue --> recvx的过程
if sg := c.sendq.dequeue(); sg != nil {
recv(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
return true, true
}
// 当 Channel 的缓冲区中已经包含数据时，从 Channel 中接收数据会直接从缓冲区中
// recvx 的索引位置中取出数据进行处理
if c.qcount > 0 {
// Receive directly from queue
qp := chanbuf(c, c.recvx)
if raceenabled {
raceacquire(qp)
racerelease(qp)
}
// 如果接收数据的内存地址不为空，那么会使用 runtime.typedmemmove将缓冲区中的数据拷贝到内存中
if ep != nil {
typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
}
// 使用 runtime.typedmemclr清除队列中的数据并完成收尾工作
typedmemclr(c.elemtype, qp)
c.recvx++
// recvx位置归零
if c.recvx == c.dataqsiz {
c.recvx = 0
}
c.qcount-- // 计数减一
unlock(&c.lock)
return true, true
}
if !block {
unlock(&c.lock)
return false, false
}
// 当 sendq不为空 并且缓冲区中也不存在任何数据时，阻塞并休眠当前groutine
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)
gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanReceive, traceEvGoBlockRecv, 2)
// someone woke us up
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)
}
closed := gp.param == nil
gp.param = nil
mysg.c = nil
releaseSudog(mysg)
return true, !closed
}
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