Go channel 底层结构及实现

1. 并发设计理念

Go 常被人提及的设计模式是:不要通过共享内存的方式进行通信,而应该通过通信的方式共享内存。

在很多语言中,多个线程传递数据的方式一般是共享内存,为了解决线程竞争,需要限制同一时间能够读写这些变量的线程数。但在go里提供了一种不同的并发模型——通信顺序模型(communication sequential processes, CSP),goroutine 之间通过channel传递数据。

channel中的数据遵循先进先出(FIFO)的设计。

2. 数据结构

channel的操作封装在runtime包下的chan.go文件,参见 /src/runtime/chan.go.

type hchan struct {

qcount  uint          // channel中环形队列数据总数,len()返回该值

dataqsiz uint          // 环形队列的长度,make时指定,cap()返回该值

buf      unsafe.Pointer // 指向环形队列的指针,缓存区基于环形队列实现

elemsize uint16 // 元素的大小

closed  uint32 // channel关闭标志

elemtype *_type // 元素类型

sendx    uint  // 向channel发送数据时,写入的位置索引

recvx    uint  // 从channel读数据是,读取的位置索引

recvq    waitq  // buf空时,读取的goroutine等待队列

sendq    waitq  // buf满时,写入的goroutine等待队列

// 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 // 并发控制锁,同一时刻,只允许一个

}

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// 等待goroutine的双向链表结构

type waitq struct {

first *sudog

last  *sudog

}

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3. 创建channel

func makechan(t *chantype, size int) *hchan {

var c *hchan

c = new(hchan)

c.buf = malloc(元素类型大小*size)

c.elemsize = 元素类型大小

c.elemtype = 元素类型

c.dataqsiz = size //channel 容量cap()

return c

}

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3. 向channel 发送数据

发送数据调用runtime.chansend()方法

ch := make(chan int, 10)

ch <- 100

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执行流程:

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 如果缓冲区中有空位置,将数据写入缓冲区sendx位置,sendx++,qcount++,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,休眠,等待被读goroutine唤醒;

4. 从channel接收数据

读数据调用runtime.chanrecv()方法

ch := make(chan int, 10)

data := <-ch

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执行流程:

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,把数据直接,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sendq出队的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 如何缓冲区为空,将当前goroutine加入recvq,进入休眠,等待被写goroutine唤醒;

5. 关闭channel

1 首先校验chan是否已被初始化,然后加锁之后再校验是否已被关闭过,如果校验都通过了,那么将closed字段设值为1;

2 遍历所有的接收者和发送者,并将其goroutine 加入到glist中;

3 将所有glist中的goroutine加入调度队列,等待被唤醒,这里需要注意的是发送者在被唤醒之后会panic;

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