Golang?Channel的底層結構是什么

這篇文章主要介紹“Golang Channel的底層結構是什么”的相關知識，小編通過實際案例向大家展示操作過程，操作方法簡單快捷，實用性強，希望這篇“Golang Channel的底層結構是什么”文章能幫助大家解決問題。

Golang 使用 Groutine 和 channels 實現了 CSP(Communicating Sequential Processes) 模型，channles在 goroutine 的通信和同步中承擔著重要的角色。

在GopherCon 2017 中，Golang 專家 Kavya 深入介紹了 Go Channels 的內部機制，以及運行時調度器和內存管理系統是如何支持 Channel 的，本文根據 Kavya 的 ppt 學習和分析一下 go channels 的原理，希望能夠對以后正確高效使用 golang 的并發帶來一些啟發。

以一個簡單的 channel 應用開始，使用 goroutine 和 channel 實現一個任務隊列，并行處理多個任務。

func main(){  
    //帶緩沖的 channel  
    ch := make(chan Task, 3)  

    //啟動固定數量的 worker  
    for i := 0; i< numWorkers; i++ {  
        go worker(ch)  
    }  

    //發送任務給 worker  
    hellaTasks := getTaks()  

    for _, task := range hellaTasks {  
        ch <- task  
    }  

    ...  
}  

func worker(ch chan Task){  
    for {  
       //接受任務  
       task := <- ch  
       process(task)  
    }  
}

從上面的代碼可以看出，使用 golang 的 goroutine 和 channel 可以很容易的實現一個生產者-消費者模式的任務隊列，相比 Java, c++簡潔了很多。

channel 可以天然的實現了下面四個特性：

• goroutine 安全

• 在不同的 goroutine 之間存儲和傳輸值 – 提供 FIFO 語義 (buffered channel 提供）

• 可以讓 goroutine block/unblock

那么 channel 是怎么實現這些特性的呢？下面我們看看當我們調用 make 來生成一個 channel 的時候都做了些什么。

make chan

上述任務隊列的例子第三行，使用 make 創建了一個長度為 3 的帶緩沖的 channel，channel 在底層是一個 hchan 結構體，位于 src/runtime/chan.go 里。

其定義如下：

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  
}

make 函數在創建 channel 的時候會在該進程的 heap 區申請一塊內存，創建一個 hchan 結構體，返回執行該內存的指針，所以獲取的的 ch 變量本身就是一個指針，在函數之間傳遞的時候是同一個 channel。

hchan 結構體使用一個環形隊列來保存 groutine 之間傳遞的數據（如果是緩存 channel 的話），使用**兩個 list **保存像該 chan 發送和從該 chan 接收數據的 goroutine，還有一個 mutex 來保證操作這些結構的安全。

發送和接收

向 channel 發送和從 channel 接收數據主要涉及 hchan 里的四個成員變量，借用 Kavya ppt 里的圖示，來分析發送和接收的過程。

還是以前面的任務隊列為例：

//G1  
func main(){  
    ...  

    for _, task := range hellaTasks {  
        ch <- task    //sender  
    }  

    ...  
}  

//G2  
func worker(ch chan Task){  
    for {  
       //接受任務  
       task := <- ch  //recevier  
       process(task)  
    }  
}

其中 G1 是發送者，G2 是接收，因為 ch 是長度為 3 的帶緩沖 channel，初始的時候 hchan 結構體的 buf 為空，sendx 和 recvx 都為 0，當 G1 向 ch 里發送數據的時候，會首先對 buf 加鎖，然后將要發送的數據 copy 到 buf 里，并增加 sendx 的值，最后釋放 buf 的鎖。然后 G2 消費的時候首先對 buf 加鎖，然后將 buf 里的數據 copy 到 task 變量對應的內存里，增加 recvx，最后釋放鎖。整個過程，G1 和 G2 沒有共享的內存，底層通過 hchan 結構體的 buf，使用 copy 內存的方式進行通信，最后達到了共享內存的目的，這完全符合 CSP 的設計理念

Do not comminute by sharing memory;instead, share memory by communicating

一般情況下，G2 的消費速度應該是慢于 G1 的，所以 buf 的數據會越來越多，這個時候 G1 再向 ch 里發送數據，這個時候 G1 就會阻塞，那么阻塞到底是發生了什么呢？

Goroutine Pause/Resume

goroutine 是 Golang 實現的用戶空間的輕量級的線程，有 runtime 調度器調度，與操作系統的 thread 有多對一的關系，相關的數據結構如下圖：

其中 M 是操作系統的線程，G 是用戶啟動的 goroutine，P 是與調度相關的 context，每個 M 都擁有一個 P，P 維護了一個能夠運行的 goutine 隊列，用于該線程執行。

當 G1 向 buf 已經滿了的 ch 發送數據的時候，當 runtine 檢測到對應的 hchan 的 buf 已經滿了，會通知調度器，調度器會將 G1 的狀態設置為 waiting, 移除與線程 M 的聯系，然后從 P 的 runqueue 中選擇一個 goroutine 在線程 M 中執行，此時 G1 就是阻塞狀態，但是不是操作系統的線程阻塞，所以這個時候只用消耗少量的資源。

那么 G1 設置為 waiting 狀態后去哪了？怎們去 resume 呢？我們再回到 hchan 結構體，注意到 hchan 有個 sendq 的成員，其類型是 waitq，查看源碼如下：

type hchan struct {   
    ...   
    recvq waitq // list of recv waiters   
    sendq waitq // list of send waiters   
    ...   
}   
//   
type waitq struct {   
    first *sudog   
    last *sudog   
}

實際上，當 G1 變為 waiting 狀態后，會創建一個代表自己的 sudog 的結構，然后放到 sendq 這個 list 中，sudog 結構中保存了 channel 相關的變量的指針（如果該 Goroutine 是 sender，那么保存的是待發送數據的變量的地址，如果是 receiver 則為接收數據的變量的地址，之所以是地址，前面我們提到在傳輸數據的時候使用的是 copy 的方式）

當 G2 從 ch 中接收一個數據時，會通知調度器，設置 G1 的狀態為 runnable，然后將加入 P 的 runqueue 里，等待線程執行。

wait empty channel

前面我們是假設 G1 先運行，如果 G2 先運行會怎么樣呢？如果 G2 先運行，那么 G2 會從一個 empty 的 channel 里取數據，這個時候 G2 就會阻塞，和前面介紹的 G1 阻塞一樣，G2 也會創建一個 sudog 結構體，保存接收數據的變量的地址，但是該 sudog 結構體是放到了 recvq 列表里，當 G1 向 ch 發送數據的時候，runtime 并沒有對 hchan 結構體題的 buf 進行加鎖，而是直接將 G1 里的發送到 ch 的數據 copy 到了 G2 sudog 里對應的 elem 指向的內存地址！

關于“Golang Channel的底層結構是什么”的內容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業相關的知識，可以關注億速云行業資訊頻道，小編每天都會為大家更新不同的知識點。