Golang-channel底層實現精要
一.channel 背景知識
- channel是Go語言內置的核心類型，可以將其看做一個管道，channel和goroutine一起爲go併發編程提供了最優雅和便利的方案
- 在Go中有一句經典名言，永遠不要通過共享內存來通信，而是要通過通信來共享內存，channel便是用於實現goroutine間通信的
- channel提供了三種類型
- 單向只能發送：chan<- struct{} 只能發送struct (箭頭指向channel，則代表發送)
- 單向只能接收：<-chan struct{} 只能從chan裏接收struct (箭頭遠離channel，則代表接收)
- 雙向即可發送也可接收：chan string 既能接收也能發送
- nil是channel的零值，對值是nil的channel發送和接收總是會阻塞
二.channel 底層實現
1.channel底層結構
簡要說明：
- buf是帶緩衝的channle所特有的結構，是個循環鏈表，用來存儲緩存數據
- sendx和recvx是用於記錄buf中發送和接收的index
- lock是個互斥鎖，目的是爲了保證goroutine以先進先出FIFO的方式進入結構體
- recvq和sendq分別是往channel接收或發送數據的goroutine所抽象出來的數據結構，是個雙向鏈表
channel結構體的源碼位於/runtime/chan.go中，結構體爲hchan，源碼如下(版本1.11)
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
}
2.channel實現原理
1) channel 創建
ch := make(chan int, 3)
因爲 channel 的創建全部調用的 mallocgc()，在堆上開闢的內存空間，所以channel 本身會被 GC 自動回收。回收的條件是沒有goroutine引用
簡要說明：
- 創建channel實際上就是在內存中實例化了一個hchan結構體，並返回一個chan指針
- channle在函數間傳遞都是使用的這個指針，這就是爲什麼函數傳遞中無需使用channel的指針，而是直接用channel就行了，因爲channel本身就是一個指針
2) channel 發送數據
以有緩衝的channel爲例
ch <- 1
ch <- 2
ch <- 3
簡要說明：
- 發送數據前，會先鎖住hchan這個結構體
- 然後逐步往buf中填充數據(從goroutine中copy數據到buf)，然後解鎖
- 注意sendx的變化，其記錄了發送數據的index
3) channel 接收數據
<-ch
<-ch
<-ch
簡要說明：
- 接收數據前，同樣會先鎖住hchan這個結構體
- 然後逐步往buf中獲取數據(buf中copy數據到goroutine)，然後解鎖
- 注意recvx的變化，其記錄了接收數據的index
4) channel存儲滿了，底層如何處理的？
我們都知道，當channle緩存滿了的時候，會阻塞當前goroutine，但是，這是如何實現的呢？
- goroutine的阻塞操作，實際上是調用send (ch <- xx)或者recv ( <-ch)主動觸發的
//goroutine1 中，記做G1
ch := make(chan int, 3)
ch <- 1
ch <- 1
ch <- 1
這個時候，G1在正常運行，當再次調度send操作的時候，會主動調用Go的調度器，讓當前協程G1等待，並且讓出內核線程M，交給其他G使用
同時，G1也會被抽象成含有G1指針和send元素的sudog結構體，保存到*sendq中等待被喚醒，那G1什麼時候被喚醒呢？在有其他協程(G2)接收數據後被喚醒
G2執行了recv，於是會發生以下操作：
- 1）G2從buf中取出數據
- 2）channel從sendq中推出G1，將G1當時的send數據推到buf中
- 3）調用Go的調度器scheduler，喚醒G1，並把G1放到可運行的Goroutine隊列中
5) channel是空的，底層如何處理的？
當channel中無數據時，先執行G2的接收數據操作，G2會阻塞，這又是如何實現的呢？其實跟上面相差不大，可以順着思路反推
- 1）G2首先會主動調用Go調度器，讓G2等待，並且讓出M，交給其他G使用
- 2）然後G2還好被抽象成含有G2指針和recv空元素的sudog結構體，保存到recvq中等待被喚醒
此時，如果G1向channel中發送數據，會發生一個有意思的事情：
- G1並沒有鎖住channel，然後將數據放入buf中，而是直接將數據從G1 copy到了 G2，這種方式非常好
- 這樣的話，在喚醒G2的過程中，G2無需再獲得channel的鎖，然後從buf中取數據，減少了內存cpoy，提高了效率
- 通過Go的調度器喚醒G2，將G2加入到GPM模型中P的本地可運行G隊列中
3.總結
- channel緩衝器滿或空，其底層的處理都非常的精妙，主動調用調度器，阻塞當前G，將M交給其他G使用，然後將G指針和其他數據組裝成sudog，加入recvq或者sendq隊列，等待被調度，
- 喚醒的流程也非常有趣，當G2接收但channel空阻塞時，G1發送數據，採用了直接copy方式，並沒有鎖住channel，將數據放入buf，而是直接從G1 複製到G2，減少了內存copy
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