golang-channel使用及底层原理

2021/02/04 golang
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golang channel 的常见使用方式及底层原理

相关特性

  • channel关闭后,channel中的数据仍然可读取,但是不能写入,否则会引发panic错误:send on closed channel
  • 数据发送不完,不应该关闭channel
  • 已经关闭的channel,可以从中读到数据0。读到0就说明:写端已经关闭了
  • channel读取不到内容将会阻塞协程,因此channel可配合select使用
  • channel是通过注册相关goroutine id实现消息通知的

channel的整体结构图

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简单说明:

  • buf是有缓冲的channel所特有的结构,用来存储缓存数据。是个循环链表
  • sendxrecvx用于记录buf这个循环链表中的发送或者接收的index
  • lock是个互斥锁。
  • recvqsendq分别是接收(<-channel)或者发送(channel <- xxx)的goroutine抽象出来的结构体(sudog)的队列。是个双向链表

源码位于/runtime/chan.go中(版本:1.14)。结构体为hchan

type hchan struct {
    qcount   uint // 当前缓存数据的总量  
    dataqsiz uint // 缓存数据的容量      
    buf      unsafe.Pointer // 缓存数据,为一个循环数组,容量大小为 dataqsiz,当前大小为 qcount
    elemsize uint16 // 数据类型的大小,比如 int 为 4
    closed   uint32 // 标记是否关闭
    elemtype *_type // 数据的类型
    sendx    uint  // 发送队列 sendq 的长度
    recvx    uint  // 接收队列 recvq 的长度
    recvq    waitq // 阻塞的接收 goroutine 的队列
    sendq    waitq // 阻塞的发送 goroutine 的队列
    lock mutex     // 锁,用于并发控制队列操作
}

下面我们来详细介绍hchan中各部分是如何使用的。

先从创建开始

我们首先创建一个channel。

ch := make(chan int, 3)

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创建channel实际上就是在内存中实例化了一个hchan的结构体,并返回一个ch指针,我们使用过程中channel在函数之间的传递都是用的这个指针,这就是为什么函数传递中无需使用channel的指针,而直接用channel就行了,因为channel本身就是一个指针。

channel中发送send(ch <- xxx)和recv(<- ch)接收

先考虑一个问题,如果你想让goroutine以先进先出(FIFO)的方式进入一个结构体中,你会怎么操作?

加锁!对的!channel就是用了一个锁。hchan本身包含一个互斥锁mutex

channel中队列是如何实现的

channel中有个缓存buf,是用来缓存数据的(假如实例化了带缓存的channel的话)队列。我们先来看看是如何实现“队列”的。

还是刚才创建的那个channel

ch := make(chan int, 3)

send/recv的细化操作

注意:缓存链表中以上每一步的操作,都是需要加锁操作的!

每一步的操作的细节可以细化为:

  • 第一,加锁
  • 第二,把数据从goroutine中copy到“队列”中(或者从队列中copy到goroutine中)。
  • 第三,释放锁

每一步的操作总结为动态图为:(发送过程)

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所以不难看出,Go中那句经典的话:Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.的具体实现就是利用channel把数据从一端copy到了另一端!

当channel缓存满了之后会发生什么?这其中的原理是怎样的?

使用的时候,我们都知道,当channel缓存满了,或者没有缓存的时候,我们继续send(ch <- xxx)或者recv(<- ch)会阻塞当前goroutine,但是,是如何实现的呢?

我们知道,Go的goroutine是用户态的线程(user-space threads),用户态的线程是需要自己去调度的,Go的调度器会帮我们完成这件事情。

goroutine的阻塞操作,实际上是调用send (ch <- xx)或者recv ( <-ch)的时候主动触发的,具体请看以下内容:

//goroutine1 中,记做G1
ch := make(chan int, 3)
ch <- 1
ch <- 1
ch <- 1

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此时channel缓冲区已经满了,这个时候G1正在正常运行,当再次进行send操作(ch<-1)的时候,会主动调用Go的调度器,让G1等待,并从让出M,让其他G去使用

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同时G1也会被抽象成含有G1指针和send元素的sudog结构体保存到hchan的sendq中等待被唤醒。

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那么,G1什么时候被唤醒呢?这个时候G2隆重登场。

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G2执行了recv操作p := <-ch,于是会发生以下的操作:

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G2从缓存队列中取出数据,channel会将等待队列中的G1推出,将G1当时send的数据推到缓存中,然后调用Go的scheduler,唤醒G1,并把G1放到可运行的Goroutine队列中。

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假如channel为空时,先进行执行recv操作的G2会怎么样?

你可能会顺着以上的思路反推。首先:

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这个时候G2会主动调用Go的调度器,让G2等待,并从让出M,让其他G去使用。

G2还会被抽象成含有G2指针和recv空元素的sudog结构体保存到hchan的recvq中等待被唤醒

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此时恰好有个goroutine G1开始向channel中推送数据 ch <- 1

此时,非常有意思的事情发生了:

G1并没有锁住channel,然后没有将数据放到缓存中,而是直接把数据从G1直接copy到了G2的栈中。

这种方式非常的赞!在唤醒过程中,G2无需再获得channel的锁,然后从缓存中取数据。减少了内存的copy,提高了效率

之后的事情显而易见:

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image.png

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参考资料:


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