GoLang之channel数据结构及阻塞、非阻塞操作、多路select

GoLang之channel数据结构及阻塞、非阻塞操作、多路select

1.channel数据结构

type hchan struct {
    qcount   uint           // 数组长度，即已有元素个数
    dataqsiz uint           // 数组容量，即可容纳元素个数
    buf      unsafe.Pointer // 数组地址
    elemsize uint16         // 元素大小
    closed   uint32			// 关闭状态
    elemtype *_type // 元素类型
    sendx    uint   // 下一次写下标位置
    recvx    uint   // 下一次读下标位置
    recvq    waitq  // 读等待队列
    sendq    waitq  // 写等待队列
    lock     mutex  // 锁
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

我们通过make创建一个缓冲区大小为5，元素类型为int的channel。ch是存在于函数栈帧上的一个指针，指向堆上的hchan数据结构。

因为channel免不了支持协程间并发访问，所以要有一个锁(lock)来保护整个channel数据结构。
对于有缓冲区channel来讲，需要知道缓冲区在哪里(buf)，已经存储了多少个元素(qcount)，最多存储多少个元素(dataqsize)，每个元素占多大空间(elemsize)，所以实际上，缓冲区就是一个数组。因为Golang运行时中，内存复制，垃圾回收等机制，依赖数据的类型信息，所以hchan这里还要有一个指针，指向元素类型的类型元数据。此外，channel支持交替的读(接收)，写(发送)。需要分别记录读，写 下标的位置，当读和写不能立即完成时，需要能够让当前协程在channel上等待，待到条件满足时，要能够立即唤醒等待的协程，所以要有两个等待队列，分别针对读和写。此外，channel能够close，所以还要记录它的关闭状态，综上所述，channel底层就长这样。

2.channel的阻塞式和非阻塞式操作

2.1发送阻塞

接下来，我们继续使用ch，初始状态下，ch的缓冲区为空，读、写下标都指向下标0的位置，等待队列也都为空。

然后一个协程g1向ch中发送数据，因为没有协程在等待接收数据，所以元素都被存到缓冲区中，sendx从0开始向后挪，

第5个元素会放到下标为4的位置，然后sendx重新回到0，此时缓冲区已经没有空闲位置了

所以接下来发送的第6个元素无处可放，g1会进到ch的发送等待队列中。这是一个sudog类型的链表，里面会记录哪个协程在等待，等待哪个channel，等待发送的数据在哪里，等等消息。

接下来协程g2从ch接收一个元素，recv指向下个位置，第0个位置就空出来了，

所以会唤醒sendq中的g1，将elem指向的数据发送给ch，然后缓冲区再次满了，sendq队列为空。

在这一过程中，可以看到sendx和recvx，都会从0到4再到0，所以channel的缓冲区，被称为"环形"缓冲区。

如果像这样给channel发送数据，只有在缓冲区还有空闲位置，或者有协程在等着接收数据的时候，才不会发送阻塞

碰到ch为nil，或者ch没有缓冲区，而且也没有协程等着接收数据，又或者，ch有缓冲区但缓冲区已用尽的情况，都会发送阻塞 。

2.1解决发送阻塞

那如果不想阻塞的话，就可以使用select，使用select这种写法时，如果检测到ch可以发送数据，就会执行case分支；如果会阻塞，就会执行default分支了。

2.2接收阻塞

这是发送数据的写法，接收数据的写法要更多一点。第一种写法会将结果丢弃，第二种写法将结果赋给变量v，第三种是comma ok风格的写法，ok为false时表示ch已关闭，此时v是channel元素类型的零值。这几种写法都允许发生阻塞，只有在缓冲区种有数据，或者有协程等着发送数据时 ，才不会阻塞。如果ch为nil，或者ch无缓冲而且没有协程等着发送数据，又或者ch有缓冲但缓冲区无数据时，都会发生阻塞。

2.3解决接收阻塞

如果无论如何都不想阻塞，同样可以采用非阻塞式写法，这样在检测到ch的recv操作不会阻塞时，就会执行case分支，如果会阻塞，就会执行default分支。

3.多路select

上面的selec只是针对的单个channel的操作；
多路select指的是存在两个或者更多的case分支，每个分支可以是一个channel的send或recv操作。例如一个协程通过多路select等待ch1和ch2。这里的default分支是可选的。

我们暂且把这个协程记为g1，多路select会被编译器转换为runtime.selectgo函数调用。
第一个参数cas0指向一个数组，数组里装的是select中所有的case分支，顺序是send在前，recv在后。
第二个参数order0指向一个uint16类型的数组，数组大小等于case分支的两倍。实际上被用作两个数组，第一个数组用来对所有channel的轮询进行乱序，第二个数组用来对所有channel的加锁操作进行排序。轮询需要乱序才能保障公平性，而按照固定算法确定加锁顺序才能避免死锁。

第三个参数pc0和race检测相关，我们暂时不关心。
第四、五个参数nsends和nrecvs分别表示所有case中执行send和recv操作的分支分别有多少个。
第六个参数block表示多路select是否要阻塞等待，对应到代码中，就是有default分支的不会阻塞，没有的会阻塞。

再来看第一个返回值，它代表最终哪个case分支被执行了，对应到参数cas0数组的下标。但是如果进到default分支则对应-1。第二个返回值用于在执行recv操作的case分支时，表明是实际接收到了一个值，还是因channel关闭而得到了零值。

再来看第一个返回值，它代表最终哪个case分支被执行了，对应到参数cas0数组的下标。但是如果进到default分支则对应-1。第二个返回值用于在执行recv操作的case分支时，表明是实际接收到了一个值，还是因channel关闭而得到了零值。

多路select需要进行轮询来确定哪个case分支可操作了，但是轮询前要先加锁，所以selectgo函数执行时，会先按照有序的加锁顺序，对所有channel加锁，然后按照乱序的轮询顺序检查所有channel的等待队列和缓冲区。

假如检查到ch1时，发现有数据可读，那就直接拷贝数据，进入对应分支。

假如所有channel都不可操作，就把当前协程添加到所有channel的sendq或recvq中。对应到本例中，g1会被添加到ch1的recvq，以及ch2的sendq中。之后g1会挂起，并解锁所有的channel的锁。

假如接下来ch1有数据可读了，g1就会被唤醒，完成对应分支的操作。

完成对应分支的操作后，会再次按照加锁顺序对所有channel加锁，然后从所有sendq或recvq中将自己移除，最后全部解锁，然后返回。

这一次我们看到了channel的底层数据结构，了解了环形缓冲区与等待队列，还了解了channel的阻塞与非阻塞式操作，以及多路select的逻辑处理，

4.浅谈channel send操作

虽然channel的读写操作写法众多，但事实上，channel的常规send操作，会被编译器转换为对runtime.chansend1()的调用 ，而它内部只是调用了runtime.chansend()。
非阻塞式(select)的send操作，会被编译器转换为对runtime.selectnbsend()的调用，它也仅仅是调用了runtime.chansend() 。
所以send操作主要是通过runtime.chansend()这个函数实现的。

5.浅谈channel recv操作

同样的，常规recv操作，会被编译器转换为对runtime.chanrecv1()的调用，而它内部只是调用了runtime.chanrecv()，comma ok风格的写法会被编译器转换为对runtime.chanrecv2()的调用，它的内部也是调用chanrecv() 只不过比chanrecv1()多了一个返回值。
非阻塞式的recv操作，会根据是否为comma ok风格，被编译器转换为对runtime.selectnbrecv(),或者selectnbrecv2()的调用，而它们两个也仅仅是调用了runtime.chanrecv(),所以recv操作主要是通过chanrecv()函数实现的。