channel
2021.07

7.1 channel

channel数据结构

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:

struct    Hchan
{
    uintgo    qcount;            // 队列q中的总数据数量
    uintgo    dataqsiz;        // 环形队列q的数据大小
    uint16    elemsize;
    bool    closed;
    uint8    elemalign;
    Alg*    elemalg;        // interface for element type
    uintgo    sendx;            // 发送index
    uintgo    recvx;            // 接收index
    WaitQ    recvq;            // 因recv而阻塞的等待队列
    WaitQ    sendq;            // 因send而阻塞的等待队列
    Lock;
};

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:

struct    WaitQ
{
    SudoG*    first;
    SudoG*    last;
};

队列中的每个成员是一个SudoG结构体变量。

struct    SudoG
{
    G*    g;        // g and selgen constitute
    uint32    selgen;        // a weak pointer to g
    SudoG*    link;
    int64    releasetime;
    byte*    elem;        // data element
};

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:

channel

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:

void runtime·chansend(ChanType *t, Hchan *c, byte *ep, bool *pres, void *pc)

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。pres参数是在select中的通道操作使用的。

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.chansend。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:

struct    Scase
{
    SudoG    sg;            // must be first member (cast to Scase)
    Hchan*    chan;        // chan
    byte*    pc;            // return pc
    uint16    kind;
    uint16    so;            // vararg of selected bool
    bool*    receivedp;    // pointer to received bool (recv2)
};

struct    Select
{
    uint16    tcase;            // 总的scase[]数量
    uint16    ncase;            // 当前填充了的scase[]数量
    uint16*    pollorder;        // case的poll次序
    Hchan**    lockorder;        // channel的锁住的次序
    Scase    scase[1];        // 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Select结构体。在Select数据结构中有个Scase数组,记录下了每一个case,而Scase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。