golang-channel详解

golang channel 详解

前言

CSP:不要通过共享内存来通信，而要通过通信来实现内存共享，它是Go 的并发哲学，基于 channel 实现。
Channel是Go中的一个核心类型，你可以把它看成一个管道，通过它并发核心单元就可以发送或者接收数据进行通讯(communication)。

数据结构

runtime/chan.go

type hchan struct {
    qcount   uint           // 队列中剩余元素
    dataqsiz uint           // 队列长度，eg make(chan int64, 5), dataqsiz为5
    buf      unsafe.Pointer // 数据存储环形数组
    elemsize uint16         // 每个元素的大小
    closed   uint32         // 是否关闭 0 未关闭
    elemtype *_type         // 元素类型
    sendx    uint           // 发送者写入位置
    recvx    uint           // 接受者读数据位置
    recvq    waitq          // 接收者队列，保存正在读取channel的goroutine
    sendq    waitq          // 发送者队列，保存正在发送channel的goroutine
    lock     mutex          // 锁
}

waitq是双向链表，sudog为goroutine的封装

type waitq struct {
    first *sudog
    last  *sudog
}

make(chan int, 6)

上图为一个长度为6，类型为int, 两个接收者，三个发送者的channel，当前接收者准备读数据的位置为0，发送者发送数据位置为4

注意，一般情况下recvq和sendq至少有一个为空。只有一个例外，那就是同一个goroutine使用select语句向channel一边写数据，一边读数据。

channel创建

创建channel的过程实际上是初始化hchan结构。其中类型信息和缓冲区长度由make语句传入，buf的大小则与元素大小和缓冲区长度共同决定。
runtime/chan.go line:71

func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
    elem := t.elem
    //...
    var c *hchan
    //创建hchan结构并分配内存
    switch {
    // 无缓冲区
    case mem == 0:
        c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true))
        c.buf = c.raceaddr()
    // 元素不含指针
    case elem.ptrdata == 0:
        c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true))
        c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)
    default:
     // 默认场景，结构体和buffer单独分配内存
        c = new(hchan)
        c.buf = mallocgc(mem, elem, true)
    }

    //元素大小
    c.elemsize = uint16(elem.size)
    //元素类型
    c.elemtype = elem
    //队列长度
    c.dataqsiz = uint(size)

    //...
    return c
}

写数据

1. 如果等待接收队列recvq不为空，说明缓冲区中没有数据或者没有缓冲区，此时直接从recvq取出G,并把数据写入，最后把该G唤醒，结束发送过程；
2. 如果缓冲区中有空余位置，将数据写入缓冲区，结束发送过程；
3. 如果缓冲区中没有空余位置，将待发送数据写入G，将当前G加入sendq，进入睡眠，等待被读goroutine唤醒；

写数据代码解析

写数据分为阻塞写和非阻塞写 代码示例：

c := make(chan int64)
    c <- 1 //阻塞写

    //非阻塞写
    select {
    case c <- 1:
        //do something
        break
    default:
        //do something
    }

对应源码里两个函数：

//非阻塞
func selectnbsend(c *hchan, elem unsafe.Pointer) (selected bool) {
    return chansend(c, elem, false, getcallerpc())
}
//阻塞
func chansend1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {
   chansend(c, elem, true, getcallerpc())
}

注意：非阻塞写必须带上default

chansend源码

// 位于 src/runtime/chan.go
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
    // 如果 channel 是 nil
    if c == nil {
        // 不能阻塞，直接返回 false，表示未发送成功
        if !block {
            return false
        }
        // 当前 goroutine 被挂起
        gopark(nil, nil, "chan send (nil chan)", traceEvGoStop, 2)
        throw("unreachable")
    }
    // 省略 debug 相关……
    // 对于不阻塞的 send，快速检测失败场景
    //
    // 如果 channel 未关闭且 channel 没有多余的缓冲空间。这可能是：
    // 1. channel 是非缓冲型的，且等待接收队列里没有 goroutine
    // 2. channel 是缓冲型的，但循环数组已经装满了元素
    if !block && c.closed == 0 && ((c.dataqsiz == 0 && c.recvq.first == nil) ||
        (c.dataqsiz > 0 && c.qcount == c.dataqsiz)) {
        return false
    }
    var t0 int64
    if blockprofilerate > 0 {
        t0 = cputicks()
    }
    // 锁住 channel，并发安全
    lock(&c.lock)
    // 如果 channel 关闭了
    if c.closed != 0 {
        // 解锁
        unlock(&c.lock)
        // 直接 panic
        panic(plainError("send on closed channel"))
    }
    // 如果接收队列里有 goroutine，直接将要发送的数据拷贝到接收 goroutine
    if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {
        send(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
        return true
    }
    // 对于缓冲型的 channel，如果还有缓冲空间
    if c.qcount < c.dataqsiz {
        // qp 指向 buf 的 sendx 位置
        qp := chanbuf(c, c.sendx)
        // ……
        // 将数据从 ep 处拷贝到 qp
        typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)
        // 发送游标值加 1
        c.sendx++
        // 如果发送游标值等于容量值，游标值归 0
        if c.sendx == c.dataqsiz {
            c.sendx = 0
        }
        // 缓冲区的元素数量加一
        c.qcount++
        // 解锁
        unlock(&c.lock)
        return true
    }
    // 如果不需要阻塞，则直接返回错误
    if !block {
        unlock(&c.lock)
        return false
    }
    // channel 满了，发送方会被阻塞。接下来会构造一个 sudog
    // 获取当前 goroutine 的指针
    gp := getg()
    mysg := acquireSudog()
    mysg.releasetime = 0
    if t0 != 0 {
        mysg.releasetime = -1
    }
    mysg.elem = ep
    mysg.waitlink = nil
    mysg.g = gp
    mysg.selectdone = nil
    mysg.c = c
    gp.waiting = mysg
    gp.param = nil
    // 当前 goroutine 进入发送等待队列
    c.sendq.enqueue(mysg)
    // 当前 goroutine 被挂起
    goparkunlock(&c.lock, "chan send", traceEvGoBlockSend, 3)
    // 从这里开始被唤醒了（channel 有机会可以发送了）
    if mysg != gp.waiting {
        throw("G waiting list is corrupted")
    }
    gp.waiting = nil
    if gp.param == nil {
        if c.closed == 0 {
            throw("chansend: spurious wakeup")
        }
        // 被唤醒后，channel 关闭了。坑爹啊，panic
        panic(plainError("send on closed channel"))
    }
    gp.param = nil
    if mysg.releasetime > 0 {
        blockevent(mysg.releasetime-t0, 2)
    }
    // 去掉 mysg 上绑定的 channel
    mysg.c = nil
    releaseSudog(mysg)
    return true
}

读数据

1. 如果等待发送队列sendq不为空，且没有缓冲区，直接从sendq中取出G，把G中数据读出，最后把G唤醒，结束读取过程；
2. 如果等待发送队列sendq不为空，此时说明缓冲区已满，从缓冲区中首部读出数据，把G中数据写入缓冲区尾部，把G唤醒，结束读取过程；
3. 如果缓冲区中有数据，则从缓冲区取出数据，结束读取过程；
4. 将当前goroutine加入recvq，进入睡眠，等待被写goroutine唤醒；

读数据代码解析

读数据分为阻塞读和非阻塞读 代码示例：

c := make(chan int, 10)
<-c //阻塞读

//select读带default为非阻塞读
select{
case <-c:
    //...
    break
default:
    //...
}

注意：非阻塞读必须带上default

接收操作有两种写法，一种带 “ok”，反应 channel 是否关闭；一种不带 “ok”，这种写法，当接收到相应类型的零值时无法知道是真实的发送者发送过来的值，还是 channel 被关闭后，返回给接收者的默认类型的零值，代码示例：

c := make(chan int64, 5)
    c <- 0
    v, ok := <-c
    fmt.Println(v, ok) // 0, true
    close(c)
    v, ok = <-c 
    fmt.Println(v, ok) // 0, false

最后对应源码里的这四个函数：

//非阻塞读不带ok返回
func selectnbrecv(elem unsafe.Pointer, c *hchan) (selected bool) {
    selected, _ = chanrecv(c, elem, false)
    return
}

//非阻塞读带Ok返回
func selectnbrecv2(elem unsafe.Pointer, received *bool, c *hchan) (selected bool) {
   // TODO(khr): just return 2 values from this function, now that it is in Go.
  selected, *received = chanrecv(c, elem, false)
   return
}

//阻塞读不带ok返回
func chanrecv1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {
   chanrecv(c, elem, true)
}

//阻塞读带ok返回
func chanrecv2(c *hchan, elem unsafe.Pointer) (received bool) {
   _, received = chanrecv(c, elem, true)
   return
}

可以看出来，最终都指向了chanrecv函数，如果有接收值，val := <-c，会把接收值放到elem的地址中，如果忽略接收值直接写<-c，这时elem为nil
下面来看看chanrecv的代码

// 位于 src/runtime/chan.go
// chanrecv 函数接收 channel c 的元素并将其写入 ep 所指向的内存地址。
// 如果 ep 是 nil，说明忽略了接收值。
// 如果 block == false，即非阻塞型接收，在没有数据可接收的情况下，返回 (false, false)
// 否则，如果 c 处于关闭状态，将 ep 指向的地址清零，返回 (true, false)
// 否则，用返回值填充 ep 指向的内存地址。返回 (true, true)
// 如果 ep 非空，则应该指向堆或者函数调用者的栈
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
    // 省略 debug 内容 …………
    // 如果是一个 nil 的 channel
    if c == nil {
        // 如果不阻塞，直接返回 (false, false)
        if !block {
            return
        }
        // 否则，接收一个 nil 的 channel，goroutine 挂起
        gopark(nil, nil, "chan receive (nil chan)", traceEvGoStop, 2)
        // 不会执行到这里
        throw("unreachable")
    }
    // 在非阻塞模式下，快速检测到失败，不用获取锁，快速返回
    // 当我们观察到 channel 没准备好接收：
    // 1. 非缓冲型，等待发送列队 sendq 里没有 goroutine 在等待
    // 2. 缓冲型，但 buf 里没有元素
    // 之后，又观察到 closed == 0，即 channel 未关闭。
    // 因为 channel 不可能被重复打开，所以前一个观测的时候 channel 也是未关闭的，
    // 因此在这种情况下可以直接宣布接收失败，返回 (false, false)
    // 非阻塞 && ((非缓冲型 && 发送队列为空) || (缓冲性 && 没有数据)) && 没有关闭
    if !block && (c.dataqsiz == 0 && c.sendq.first == nil ||
        c.dataqsiz > 0 && atomic.Loaduint(&c.qcount) == 0) &&
        atomic.Load(&c.closed) == 0 {
        return
    }
    var t0 int64
    if blockprofilerate > 0 {
        t0 = cputicks()
    }
    // 加锁
    lock(&c.lock)
    // channel 已关闭，并且循环数组 buf 里没有元素
    // 这里可以处理非缓冲型关闭 和 缓冲型关闭但 buf 无元素的情况
    // 也就是说即使是关闭状态，但在缓冲型的 channel，
    // buf 里有元素的情况下还能接收到元素
    if c.closed != 0 && c.qcount == 0 {
        if raceenabled {
            raceacquire(unsafe.Pointer(c))
        }
        // 解锁
        unlock(&c.lock)
        if ep != nil {
            // 从一个已关闭的 channel 执行接收操作，且未忽略返回值
            // 那么接收的值将是一个该类型的零值
            // typedmemclr 根据类型清理相应地址的内存
            typedmemclr(c.elemtype, ep)
        }
        // 从一个已关闭的 channel 接收，selected 会返回true
        return true, false
    }
    // 等待发送队列里有 goroutine 存在，说明 buf 是满的
    // 这有可能是：
    // 1. 非缓冲型的 channel
    // 2. 缓冲型的 channel，但 buf 满了
    // 针对 1，直接进行内存拷贝（从 sender goroutine -> receiver goroutine）
    // 针对 2，接收到循环数组头部的元素，并将发送者的元素放到循环数组尾部
    if sg := c.sendq.dequeue(); sg != nil {
        // Found a waiting sender. If buffer is size 0, receive value
        // directly from sender. Otherwise, receive from head of queue
        // and add sender's value to the tail of the queue (both map to
        // the same buffer slot because the queue is full).
        recv(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
        return true, true
    }
    // 缓冲型，buf 里有元素，可以正常接收
    if c.qcount > 0 {
        // 直接从循环数组里找到要接收的元素
        qp := chanbuf(c, c.recvx)
        // …………
        // 代码里，没有忽略要接收的值，不是 "<- ch"，而是 "val <- ch"，ep 指向 val
        if ep != nil {
            typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
        }
        // 清理掉循环数组里相应位置的值
        typedmemclr(c.elemtype, qp)
        // 接收游标向前移动
        c.recvx++
        // 接收游标归零
        if c.recvx == c.dataqsiz {
            c.recvx = 0
        }
        // buf 数组里的元素个数减 1
        c.qcount--
        // 解锁
        unlock(&c.lock)
        return true, true
    }
    if !block {
        // 非阻塞接收，解锁。selected 返回 false，因为没有接收到值
        unlock(&c.lock)
        return false, false
    }
    // 接下来就是要被阻塞的情况了
    // 构造一个 sudog
    gp := getg()
    mysg := acquireSudog()
    mysg.releasetime = 0
    if t0 != 0 {
        mysg.releasetime = -1
    }
    // 待接收数据的地址保存下来
    mysg.elem = ep
    mysg.waitlink = nil
    gp.waiting = mysg
    mysg.g = gp
    mysg.selectdone = nil
    mysg.c = c
    gp.param = nil
    // 进入channel 的等待接收队列
    c.recvq.enqueue(mysg)
    // 将当前 goroutine 挂起
    goparkunlock(&c.lock, "chan receive", traceEvGoBlockRecv, 3)
    // 被唤醒了，接着从这里继续执行一些扫尾工作
    if mysg != gp.waiting {
        throw("G waiting list is corrupted")
    }
    gp.waiting = nil
    if mysg.releasetime > 0 {
        blockevent(mysg.releasetime-t0, 2)
    }
    closed := gp.param == nil
    gp.param = nil
    mysg.c = nil
    releaseSudog(mysg)
    return true, !closed
}

func recv(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
    // 如果是非缓冲型的 channel
    if c.dataqsiz == 0 {
        if raceenabled {
            racesync(c, sg)
        }
        // 未忽略接收的数据
        if ep != nil {
            // 直接拷贝数据，从 sender goroutine -> receiver goroutine
            recvDirect(c.elemtype, sg, ep)
        }
    } else {
        // 缓冲型的 channel，但 buf 已满。
        // 将循环数组 buf 队首的元素拷贝到接收数据的地址
        // 将发送者的数据入队。实际上这时 revx 和 sendx 值相等
        // 找到接收游标
        qp := chanbuf(c, c.recvx)
        // …………
        // 将接收游标处的数据拷贝给接收者
        if ep != nil {
            typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
        }
        // 将发送者数据拷贝到 buf
        typedmemmove(c.elemtype, qp, sg.elem)
        // 更新游标值
        c.recvx++
        if c.recvx == c.dataqsiz {
            c.recvx = 0
        }
        c.sendx = c.recvx
    }
    sg.elem = nil
    gp := sg.g
    // 解锁
    unlockf()
    gp.param = unsafe.Pointer(sg)
    if sg.releasetime != 0 {
        sg.releasetime = cputicks()
    }
    // 唤醒发送的 goroutine。需要等到调度器的光临
    goready(gp, skip+1)
}

关闭channel

close 逻辑比较简单，对于一个 channel，recvq 和 sendq 中分别保存了阻塞的发送者和接收者。关闭 channel 后，对于等待接收者而言，会收到一个相应类型的零值。对于等待发送者，会直接 panic。所以，在不了解 channel 还有没有接收者的情况下，不能贸然关闭 channel。

close 函数先上一把大锁，接着把所有挂在这个 channel 上的 sender 和 receiver 全都连成一个 sudog 链表，再解锁。最后，再将所有的 sudog 全都唤醒。

注意：关闭已经关闭的channel或者往一个关闭的channel中发送数据会发生panic

关闭原则：
一般原则上使用通道是不允许接收方关闭通道和 不能关闭一个有多个并发发送者的通道。 换而言之， 你只能在发送方的 goroutine 中关闭只有该发送方的通道。

关闭代码解析

func closechan(c *hchan) {
    // 关闭一个 nil channel，panic
    if c == nil {
        panic(plainError("close of nil channel"))
    }
    // 上锁
    lock(&c.lock)
    // 如果 channel 已经关闭
    if c.closed != 0 {
        unlock(&c.lock)
        // panic
        panic(plainError("close of closed channel"))
    }
    // …………
    // 修改关闭状态
    c.closed = 1
    var glist *g
    // 将 channel 所有等待接收队列的里 sudog 释放
    for {
        // 从接收队列里出队一个 sudog
        sg := c.recvq.dequeue()
        // 出队完毕，跳出循环
        if sg == nil {
            break
        }
        // 如果 elem 不为空，说明此 receiver 未忽略接收数据
        // 给它赋一个相应类型的零值
        if sg.elem != nil {
            typedmemclr(c.elemtype, sg.elem)
            sg.elem = nil
        }
        if sg.releasetime != 0 {
            sg.releasetime = cputicks()
        }
        // 取出 goroutine
        gp := sg.g
        gp.param = nil
        if raceenabled {
            raceacquireg(gp, unsafe.Pointer(c))
        }
        // 相连，形成链表
        gp.schedlink.set(glist)
        glist = gp
    }
    // 将 channel 等待发送队列里的 sudog 释放
    // 如果存在，这些 goroutine 将会 panic
    for {
        // 从发送队列里出队一个 sudog
        sg := c.sendq.dequeue()
        if sg == nil {
            break
        }
        // 发送者会 panic
        sg.elem = nil
        if sg.releasetime != 0 {
            sg.releasetime = cputicks()
        }
        gp := sg.g
        gp.param = nil
        if raceenabled {
            raceacquireg(gp, unsafe.Pointer(c))
        }
        // 形成链表
        gp.schedlink.set(glist)
        glist = gp
    }
    // 解锁
    unlock(&c.lock)
    // Ready all Gs now that we've dropped the channel lock.
    // 遍历链表
    for glist != nil {
        // 取最后一个
        gp := glist
        // 向前走一步，下一个唤醒的 g
        glist = glist.schedlink.ptr()
        gp.schedlink = 0
        // 唤醒相应 goroutine
        goready(gp, 3)
    }
}

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