前言
channel是golang中标志性的概念之一，很好很强大！
channel（通道），顾名思义，是一种通道，一种用于并发环境中数据传递的通道。通常结合golang中另一重要概念goroutine（go协程）使用，使得在golang中的并发编程变得清晰简洁同时又高效强大。
今天尝试着读读golang对channel的实现源码，拿起我生锈的水果刀，装模作样的解剖解剖这只大白老鼠。
channel基础结构
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
}
hchan结构就是channel的底层数据结构，看源码定义，可以说是非常清晰了。
- qcount：channel缓存队列中已有的元素数量
- dataqsiz：channel的缓存队列大小（定义channel时指定的缓存大小，这里channel用的是一个环形队列）
- buf：指向channel缓存队列的指针
- elemsize：通过channel传递的元素大小
- closed：channel是否关闭的标志
- elemtype：通过channel传递的元素类型
- sendx：channel中发送元素在队列中的索引
- recvx：channel中接受元素在队列中的索引
- recvq：等待从channel中接收元素的协程列表
- sendq：等待向channel中发送元素的协程列表
- lock：channel上的锁
其中关于recvq和sendq的两个列表所用的结构waitq简单看下。
type waitq struct {
first *sudog
last *sudog
}
type sudog struct {
g *g
selectdone *uint32 // CAS to 1 to win select race (may point to stack)
next *sudog
prev *sudog
elem unsafe.Pointer // data element (may point to stack)
...
c *hchan // channel
}
可以看出waiq是一个双向链表结构，链上的节点是sudog。从sudog的结构定义可以粗略看出，sudog是对g（即协程）的一个封装。用于记录一个等待在某个channel上的协程g、等待的元素elem等信息。
channel初始化
func makechan(t *chantype, size int64) *hchan {
elem := t.elem
// compiler checks this but be safe.
if elem.size >= 1<<16 {
throw("makechan: invalid channel element type")
}
if hchanSize%maxAlign != 0 || elem.align > maxAlign {
throw("makechan: bad alignment")
}
if size < 0 || int64(uintptr(size)) != size || (elem.size > 0 && uintptr(size) > (_MaxMem-hchanSize)/elem.size) {
panic(plainError("makechan: size out of range"))
}
var c *hchan
if elem.kind&kindNoPointers != 0 || size == 0 {
// Allocate memory in one call.
// Hchan does not contain pointers interesting for GC in this case:
// buf points into the same allocation, elemtype is persistent.
// SudoG's are referenced from their owning thread so they can't be collected.
// TODO(dvyukov,rlh): Rethink when collector can move allocated objects.
c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+uintptr(size)*elem.size, nil, true))
if size > 0 && elem.size != 0 {
c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)
} else {
// race detector uses this location for synchronization
// Also prevents us from pointing beyond the allocation (see issue 9401).
c.buf = unsafe.Pointer(c)
}
} else {
c = new(hchan)
c.buf = newarray(elem, int(size))
}
c.elemsize = uint16(elem.size)
c.elemtype = elem
c.dataqsiz = uint(size)
if debugChan {
print("makechan: chan=", c, "; elemsize=", elem.size, "; elemalg=", elem.alg, "; dataqsiz=", size, "\n")
}
return c
}
第一部分的3个if是对初始化参数的合法性检查。
- if elem.size >= 1<<16:
检查channel元素大小，小于2字节 - if hchanSize%maxAlign != 0 || elem.align > maxAlign
没看懂（对齐？） - if size < 0 || int64(uintptr(size)) != size || (elem.size > 0 && uintptr(size) > (_MaxMem-hchanSize)/elem.size)
- 第一个判断缓存大小需要大于等于0
- int64(uintptr(size)) != size这一句实际是用于判断size是否为负数。由于uintptr实际是一个无符号整形，负数经过转换后会变成一个与原数完全不同的很大的正整数，而正数经过转换后并没有变化。
- 最后一句判断channel的缓存大小要小于heap中能分配的大小。
_MaxMem是可分配的堆大小。
第二部分是具体的内存分配。
- 元素类型为
kindNoPointers的时候，既非指针类型，则直接分配（hchanSize+uintptr(size)*elem.size）大小的连续空间。c.buf指向hchan后面的elem队列首地址。 - 如果channel缓存大小为0，则
c.buf实际上是没有给他分配空间的 - 如果类型为非
kindNoPointers，则channel的空间和buf的空间是分别分配的（这样做的原因待研究）
channel发送
// entry point for c <- x from compiled code
//go:nosplit
func chansend1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {
chansend(c, elem, true, getcallerpc(unsafe.Pointer(&c)))
}
channel发送，即协程向channel中发送数据，与此操作对应的go代码如c <- x。
channel发送的实现源码中，通过chansend1(),调用chansend()，其中block参数为true。
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
if c == nil {
if !block {
return false
}
gopark(nil, nil, "chan send (nil chan)", traceEvGoStop, 2)
throw("unreachable")
}
...
}
chansend()首先对c进行判断， if c == nil：即channel没有被初始化，这个时候会直接调用gopark使得当前协程进入等待状态。而且用于唤醒的参数unlockf传的nil，即没有人来唤醒它，这样系统进入死锁。所以channel必须被初始化之后才能使用，否则死锁。
接下来是正式的发送处理，且后续操作会加锁。
lock(&c.lock)
- close判断
if c.closed != 0 {
unlock(&c.lock)
panic(plainError("send on closed channel"))
}
如果channel已经是closed状态，解锁然后直接panic。也就是说我们不可以向已经关闭的通道内在发送数据。
- 将数据发给接收协程
if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {
// Found a waiting receiver. We pass the value we want to send
// directly to the receiver, bypassing the channel buffer (if any).
send(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
return true
}
尝试从接收等待协程队列中取出一个协程，如果有则直接数据发给它。也就是说发送到channel的数据会优先检查接收等待队列，如果有协程等待取数，就直接给它。发完解锁，操作完成。
这里send()方法会将数据写到从队列里取出来的sg中，通过goready()唤醒sg.g(即等待的协程)，进行后续处理。
- 数据放到缓存
if c.qcount < c.dataqsiz {
// Space is available in the channel buffer. Enqueue the element to send.
qp := chanbuf(c, c.sendx)
if raceenabled {
raceacquire(qp)
racerelease(qp)
}
typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)
c.sendx++
if c.sendx == c.dataqsiz {
c.sendx = 0
}
c.qcount++
unlock(&c.lock)
return true
}
如果没有接收协程在等待，则去检查channel的缓存队列是否还有空位。如果有空位，则将数据放到缓存队列中。
通过c.sendx游标找到队列中的空余位置，然后将数据存进去。移动游标，更新数据，然后解锁，操作完成。
if c.sendx == c.dataqsiz {
c.sendx = 0
}
通过这一段游标的处理可以看出，缓存队列是一个环形。
- 阻塞发送协程
gp := getg()
mysg := acquireSudog()
mysg.releasetime = 0
if t0 != 0 {
mysg.releasetime = -1
}
// No stack splits between assigning elem and enqueuing mysg
// on gp.waiting where copystack can find it.
mysg.elem = ep
mysg.waitlink = nil
mysg.g = gp
mysg.selectdone = nil
mysg.c = c
gp.waiting = mysg
gp.param = nil
c.sendq.enqueue(mysg)
goparkunlock(&c.lock, "chan send", traceEvGoBlockSend, 3)
如果缓存也慢了，这时候就只能阻塞住发送协程了， 等有合适的机会了，再将数据发送出去。
getg()获取当前协程对象g的指针，acquireSudog()生成一个sudog，然后将当前协程及相关数据封装好链接到sendq列表中。然年通过goparkunlock()将其转为等待状态，并解锁。操作完成。
channel接收
// entry points for <- c from compiled code
//go:nosplit
func chanrecv1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {
chanrecv(c, elem, true)
}
channel接收，即协程从channel中接收数据，与此操作对应的go代码如<- c。
channel接收的实现源码中，通过chanrecv1(),调用chanrecv()，其中block参数为true。
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
...
if c == nil {
if !block {
return
}
gopark(nil, nil, "chan receive (nil chan)", traceEvGoStop, 2)
throw("unreachable")
}
...
}
同发送一样，接收也会首先检查c是否为nil，如果为nil，会调用gopark()休眠当前协程，从而最终造成死锁。
接收操作同样先进行加锁，然后开始正式操作。
- close处理
if c.closed != 0 && c.qcount == 0 {
if raceenabled {
raceacquire(unsafe.Pointer(c))
}
unlock(&c.lock)
if ep != nil {
typedmemclr(c.elemtype, ep)
}
return true, false
}
接收和发送略有不同，当channel关闭并且channel的缓存队列里没有数据了，那么接收动作会直接结束，但不会报错。
也就是说，允许从已关闭的channel中接收数据。
- 从发送等待协程中接收
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
}
尝试从发送等待协程列表中取出一个等待协程，如果存在，则调用recv()方法接收数据。
这里的recv()方法比send()方法稍微复杂一点，我们简单分析下。
func recv(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
if c.dataqsiz == 0 {
...
if ep != nil {
// copy data from sender
recvDirect(c.elemtype, sg, ep)
}
} else {
qp := chanbuf(c, c.recvx)
...
// copy data from queue to receiver
if ep != nil {
typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
}
// copy data from sender to queue
typedmemmove(c.elemtype, qp, sg.elem)
c.recvx++
if c.recvx == c.dataqsiz {
c.recvx = 0
}
c.sendx = c.recvx // c.sendx = (c.sendx+1) % c.dataqsiz
}
sg.elem = nil
gp := sg.g
unlockf()
gp.param = unsafe.Pointer(sg)
if sg.releasetime != 0 {
sg.releasetime = cputicks()
}
goready(gp, skip+1)
}
recv()的接收动作分为两种情况：
- c.dataqsiz == 0：即当channel为无缓存channel时，直接将发送协程中的数据，拷贝给接收者。
- c.dataqsiz != 0：如果channel有缓存，则：
根据缓存的接收游标，从缓存队列中取出一个，拷贝给接受者
将发送协程中的数据，放到空出来的缓存位置中，游标下移。(即将新数据接到队列尾巴上)
channel接收操作解锁
唤醒取出的发送协程
阻塞接收协程
gp := getg()
mysg := acquireSudog()
mysg.releasetime = 0
if t0 != 0 {
mysg.releasetime = -1
}
// No stack splits between assigning elem and enqueuing mysg
// on gp.waiting where copystack can find it.
mysg.elem = ep
mysg.waitlink = nil
gp.waiting = mysg
mysg.g = gp
mysg.selectdone = nil
mysg.c = c
gp.param = nil
c.recvq.enqueue(mysg)
goparkunlock(&c.lock, "chan receive", traceEvGoBlockRecv, 3)
没有协程等待发送，缓存中也没有数据了，那么之后阻塞接收协程，等待合适时机在接收数据。
同发送过程一样，将当前协程封装到sudog中，链接到recvq列表中。并休眠当前协程。
总结
- channel必须初始化后才能使用
- channel关闭后，不允许在发送数据，但是还可以继续从中接收未处理完的数据。所以尽量从发送端关闭channel
- 无缓存的channel需要注意在一个协程中的操作不会造成死锁
遗留问题
-
hchanSize的计算 -
maxAlign参数的作用 - 内存分配
- 设计思想的梳理
附注1：源码基于go1.9.2
附注2：文章中引用的源码...处表示有删减
