上篇文章講了 channel 的基本使用，講了一些使用時需要注意的事項，本文將重點介紹 channel 中的兩個數據結構：循環隊列 與 雙端鏈表 。
channel 的需求描述
爲了理解這些數據結構解決了什麼問題，我們先來做個簡單的回顧，看看爲什麼需要這兩個數據結構，他們解決了什麼問題。我們知道 goroutine 是用戶態的線程，不同的 goroutine 之間是有消息傳遞這個需求的。在原始的進程與線程（系統線程）編程中我們會採用管道的方式，而 channel 就是用戶態線程傳遞消息的管道實現，並且是類型安全的。
既然 channel 是一個管道，用來滿足不同 goroutine 間交換消息的。那麼實現這樣一個管道要怎麼做呢？
來看看我們日常傳遞消息的需求：
能夠有多個 goroutine 向
channel進行讀寫，並且保證沒有競爭問題，需要用 隊列 來管理阻塞的 goroutine，解決競爭問題；需要管理髮送到
channel的消息（有緩衝、無緩衝），對於有緩存的channel可以採用 循環隊列 來管理多個消息。
當然上面的需求是經過簡化的，比如 channel 還需要具備阻塞、喚醒 goroutine 的能力，不過爲了本文我們更加專注焦點問題，先只關注上面兩個問題。
channel 的數據結構
接下來我們分析一下 channel 在實際運行中，它的結構體是怎麼樣的。當然這又分爲兩種類型，有緩衝與無緩衝的。我們先來看一個無緩衝的情況。
無緩衝
先把示例代碼貼出來。就是兩個讀的 goroutine 被阻塞在一個無緩衝的 channel 上。
func main() {
ch := make(chan int) // 無緩衝
go goRoutineA(ch)
go goRoutineB(ch)
ch <- 1
time.Sleep(time.Second * 1)
}
func goRoutineA(ch chan int) {
v := <-ch
fmt.Printf("A received data: %d\n", v)
}
func goRoutineB(ch chan int) {
v := <-ch
fmt.Printf("B received data: %d\n", v)
}
來看看當代碼執行到 ch <- 1 這一行之後 channel 的結構體被填充成什麼樣子了！
注意其中 buf 字段可存儲的長度是0，這是因爲 無緩衝 channel 不會用到循環隊列來存儲數據。它一定是等讀、寫 goroutine 都準備好了，然後直接把數據交給對方。我們用一副圖來看一下無緩衝的數據交換過程。
上圖描述的是數據交換過程，再看一下讀 goroutine 被阻塞的結構示意圖。被阻塞的 goroutine 會掛載到對應的隊列上，該隊列是一個雙端隊列。
上面的例子，由於兩個讀 goroutine 在啓動的時候，寫還沒有準備好，因此讀全部被掛起在隊列中；當有寫goroutine準備好的時候，由於此時讀已經就緒，因此寫不會阻塞，掛起放到 sendq 中。大家可以修改上面的代碼，自己看一下寫阻塞，讀立馬執行的情況。
有緩衝
我們將上面的代碼改成有緩衝的通道，然後再來看看有緩衝的情況。
func main() {
ch := make(chan int, 3) // 有緩衝
// 都不會阻塞
ch <- 1
ch <- 2
ch <- 3
// 會阻塞，被掛起到 sendq 中
go func() {
ch <- 4
}()
// 只是爲了debug
var a int
fmt.Println(a)
go goRoutineA(ch)
go goRoutineA(ch)
go goRoutineB(ch)
go goRoutineB(ch) // 猜猜這裏會被掛起嗎？
time.Sleep(time.Second * 2)
}
func goRoutineA(ch chan int) {
v := <-ch
fmt.Printf("A received data: %d\n", v)
}
func goRoutineB(ch chan int) {
v := <-ch
fmt.Printf("B received data: %d\n", v)
}
貼出執行到第一行的 go goRoutineA(ch) 時， hchan 的結構填充情況。
在這裏可以看到緩衝的大小是3，由於增加了緩衝，只要寫 goroutine 沒有把緩衝寫滿，則不會導致協程阻塞。但是一旦緩衝沒有多餘的空間，則會把寫 goroutine 掛起到 sendq 中，直到有空間時將他喚醒（還有其它喚醒的場景，這一略過）。
其實有緩衝的 channel，就是把同步的通信變爲了異步的通信。寫的 channel 不需要關注讀 channel，只要有空間它就寫；而讀也一樣，只要有數據就正常讀就可以，如果沒有就掛起到隊列中，等待被喚醒。下圖形象的展示了有緩衝 channel 是如何交換數據的。
我們再來用圖的形式看一下此時結構體的樣子，這裏圖有些偷懶，只是在上面圖的基礎上增加了循環隊列部分的描述，實際到該例子中，讀 goroutine時不會被阻塞的，看的時候需要注意這一點。
循環隊列
今天最重要的是理解 channel 中兩個關鍵的數據結構。爲了下一講閱讀源碼做準備，我把 channel 中的循環隊列部分的代碼抽象出來了。
// 隊列滿了
var ErrQFull = errors.New("circular is full")
// 沒有值
var ErrQEmpty = errors.New("circular is empty")
// 定義循環隊列
// 如何確定隊空，還是隊滿？q.sendx = (q.sendx+1) % q.dataqsiz
type queue struct {
buf []int // 隊列元素存儲
dataqsiz uint // circular 隊列長度
qcount uint // 有多少元素在buf中 qcount = len(buf)
sendx uint // 可以理解爲隊尾指針，向隊列寫入數據
recvx uint // 可以理解爲隊頭指針，從隊列讀取數據
}
func makeQ(size int) *queue {
q := &queue{
dataqsiz: uint(size),
buf: nil,
}
q.buf = make([]int, q.dataqsiz)
return q
}
// 向buf中寫入數據
// 請看 chansend 函數
func (c *queue) insert(ele int) error {
// 檢查隊列是否有空間
if c.dataqsiz > 0 && c.qcount == c.dataqsiz {
return ErrQFull
}
// 存入數據
c.buf[c.sendx] = ele
c.sendx++ // 尾指針後移
if c.sendx == c.dataqsiz { // 如果相等，說明隊列寫滿了，sendx放到開始位置
c.sendx = 0
}
c.qcount++
return nil
}
// 從buf中讀取數據
func (c *queue) read() (int, error) {
// 隊列中沒有數據了
if c.dataqsiz > 0 && c.qcount == 0 {
return 0, ErrQEmpty
}
ret := c.buf[c.recvx] // 取出元素
c.buf[c.recvx] = 0
c.recvx++
if c.recvx == c.dataqsiz { // 如果相等，說明寫到末尾了，recvx放到開始位置
c.recvx = 0
}
c.qcount--
return ret, nil
}
上面的代碼基本上就是 channel 的循環隊列部分的實現。這個隊列的實現與我們平常實現的循環隊列稍微有些不一樣。一般我們爲了方便判空，會浪費一個buf的空間來方便判空，公式是：(tail+1)%n=head ；但是在 channel 這裏的循環隊列，由於有了一個循環隊列元素的計數，確保了這個空間不會被浪費，並且同時也能夠滿足 O(1) 時間複雜度計算有緩衝 channel 元素個數。
總結
總結一下今天的主要信息。
channel 中用到了兩個數據結構：循環隊列 和 雙端鏈表；
循環隊列 只有在有緩衝 channel 中才會使用，它主要是做爲消息的緩衝、保證消息的有序性；
雙端鏈表 是用來掛起阻塞的讀、寫 goroutine 的，在被喚醒時會按照入隊順序公平的進行通知；
無緩衝的 channel 不會用到 循環隊列 相關的結構，它必須讀寫 goroutine 都準備好後才能進行消息交換；
做爲緩衝消息的 循環隊列 通過一個當前元素個數字段的標記，避免了浪費一個數據空間。
下一章我們就嘗試閱讀一下 channel 的源碼，想要嘗試錄製一個視頻來講這部分源碼！
參考資料
[1] [Diving Deep Into The Golang Channels.](https://codeburst.io/diving-deep-into-the-golang-channels-549fd4ed21a8)
[2] [Understanding Channels](https://speakerdeck.com/kavya719/understanding-channels)
[3] [The Nature Of Channels In Go](https://www.ardanlabs.com/blog/2014/02/the-nature-of-channels-in-go.html)
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