go channel实践与源码探索（初始化、发送消息、接收消息、关闭）

pigfu2023-09-17 16:13

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概要

通道（Channel）是Go语言提供的协程之间通信与同步的方式。我们知道在并发编程（多进程、多线程）中，进程or线程间的通信和同步是基础，不然就无法解决五位哲学家就餐之类的问题，但是传统的通信同步方式太过复杂，需要开发者了解互斥锁、临界区管理、条件变量控制等，这些东西在Go语言中Channel都帮你做了（屏蔽了），简而言之，你可以放心大胆的用channel去进行不同Goroutine之间的通信与同步，来完成对Goroutine的竞争关系，协作关系的实现。

Go语言是遵循CSP编程模型的，其核心是通过通道来实现通信与同步。在Go语言中借助其调度器，可以高效的实现通道的阻塞与唤醒，进而实现通道的多路复用（Select 操作）。因此Go的并发编程强调不要利用共享内存来进行Goroutine通讯，而应该依靠通讯来共享数据(Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating)，尽量避免锁和协程争用。

PS:go V1.20.6

一、并发编程

在聊Go channel之前，这里先问一句，Go Channel是用来干什么的？其实在摘要中已经说了，处理并发下多个Goroutine之间的竞争与协作关系，进程线程在并发中同样面临该问题。

进程间通信在学习操作系统一书中就了解到，同一服务器内的进程之间主要有五种：信号、管道、消息传递、信号量、共享内存（当然了，不同服务器进程之间通过网络，比如TCP，本文只聊同一服务器）。

线程之间主要是共享内存+锁、消息传递等。

消息传递和共享内存模式是使用比较广泛的，其中消息传递在实践中主要分为Actor和CSP两种模型，Actor模型重点在于参与交流的实体，而CSP模型重点在于交流的通道。

1.1、Actor模型

Actor模型首先是由Carl Hewitt在1973年提出定义， 随后由Erlang OTP (Open Telecom Platform) 推广开来。Actor属于并发组件模型， 通过组件方式定义并发编程范式的高级原语，避免使开发者直接接触多线程并发或线程池等基础概念，其消息传递更加符合面向对象的原始意图。

传统多数流行的语言并发是基于多线程之间的共享内存，使用同步机制（互斥锁）来防止写竞争。而在Actor消息模型中，每个Actor在任何时间都是串行执行的，即同一时间处理最多一个消息，最多可以发送一个消息给其他Actor，保证了单独写原则，从而巧妙避免了多线程的写竞争。

在Actor模型中，主角是Actor，类似Go语言中的goroutine，Actor彼此之间可以直接发送消息，不需要经过中介，消息是异步发送和处理的。

每个 Actor 可以认为是一个基本的计算单元，它能接收消息并基于其进行运算，也可以发送消息给其他 Actor。Actor之间相互隔离，它们之间并不共享内存。

Actor 是由状态（State）、行为（Behavior）和邮箱（MailBox，可以认为是一个消息队列）三部分组成：

  • 状态：Actor 中的状态指 Actor 对象的变量信息，状态由 Actor 自己管理，避免了并发环境下的锁和内存原子性等问题;
  • 行为：Actor 中的计算逻辑，通过 Actor 接收到的消息来改变 Actor 的状态;
  • 邮箱：邮箱是 Actor 和 Actor 之间的通信桥梁，邮箱内部通过 FIFO消息队列来存储发送方 Actor 消息，接受方 Actor 从邮箱队列中获取消息。

除了Erlang语言，目前akka库是比较流行的Actor并发编程模型的实现，支持Scala和Java语言

1.2、CSP模型

CSP（Communicating Sequential Processes）是由Tony Hoare在1978的论文上首次提出的。 它是处理并发编程的一种设计模式或者模型，指导并发程序的设计，提供了一种并发程序可实践的组织方法或者设计范式。通过此方法，可以减少并发程序引入的其它缺点，减少和规避并发程序的常见缺点和bug，并且可以被数学理论所论证。

CSP将程序分成两种模块，Processor 与 命名Channel：

  • Processor 代表了执行任务的顺序单元，它们内部没有并发；
  • Channel代表了并发流之间的信息交互，如共享数据的交换、修改、消息传递，状态同步等等。

除了Channel，Processor之间再无联系，这样就将并发同步作用转移至Channel，使得问题得到了约束、集中。同步操作与竞争操作并没有消失，只是聚焦于Channel之上。Processor之间的协作，由Channel提供并发原语支持，最初Channel是无缓冲的，因此发送操作会阻塞，直到接收端接收后才能继续发送，从而提供了一种同步机制。

在CSP模型中，Processor 之间不直接彼此联系，而是通过不同Channel进行消息发布和同步。消息的发送者和接收者之间通过Channel松耦合，发送者不知道自己消息被哪个接收者消费了，接收者也不知道是哪个发送者发送的消息。所以CSP 的好处是使得系统较为清晰，Processor 之间是解耦合的，职责也非常清楚，容易理解和维护。

Go语言的并发编程模型参考了 CSP 理论，其中执行单元Processor对应的是Goroutine， 消息通道Channel对应的就是channel，一起通过后续章节，结合通道（Channel）的使用和原理来体会CSP思想的精髓

二、Go Channel实践

  1. 初始化
go 复制代码 
var cname chan int //声明一个chan int 类型的变量，变量名称叫name，默认值为nil
bname := make(chan int)//make函数初始化channel,无缓冲通道
cname = make(chan int,2)//make函数初始化channel，有缓冲通道，缓冲大小为2

注意：一个只声明但未初始化的chan 变量不能进行读，写，关闭、for遍历操作，否则会panic

  1. 操作
go 复制代码 
cname<-1 //写入，如果没有缓冲区或缓冲区已满会阻塞
v,ok:=<-cname //读取，如果没有可读数据会阻塞
//或者 v:=<-cname
close(cname)//关闭通道，如果重复关闭会panic
for c:=range cname { //遍历,如果通道没有关闭，在遍历完既有数据后，会一直阻塞
  fmt.Println("v:%d,v addr:%p\n", v, &v)
}

for...range是一个语法糖，在遍历通道时，其本质如下：

go 复制代码 
for{
    v,ok := <-ch
    if!ok{
        break
    }
    original body
}
  1. 多路复用select
    一个select管理多个channel(类似linux网路操作select,poll,epoll,可以同时管理多个socket)
go 复制代码 
var dname chan int
select {
case <-cname:
	fmt.Println("rand one")
case c:<-cname:
	fmt.Println("rand two:", c)	
case <-dname: //通过select 读取未声明的chan 是不会panic的
	fmt.Println("read nil chan")
case dname<-1: //通过select 写入未声明的chan 是不会panic的，其本质就是占据一次select机会，并不会真的写入数据
	fmt.Println("write nil chan")	
default:
	fmt.Println("rand one")//其他分支都被阻塞时才会被执行
}

很多时候我们并不希望select执行一个分支，就退出，这时可以去for + select

go 复制代码 
cname<-1
for {
	select {//注意，每一次select，如果多个分支的channel都是可读或写的，那么选择哪一个分支完全是随机的
	case <-cname:
		fmt.Println("rand one")
	case <-cname:
		fmt.Println("rand two")	
}

三、源码分析

go channel的结构体如下：

go 复制代码 
type hchan struct {
	qcount   uint     //  缓冲区中的元素个数
	dataqsiz uint     // 缓冲区大小
	buf      unsafe.Pointer // 缓冲区，一个循环队列（数组）
	sendx    uint   // 队尾，记录发送者在 buf 中索引位置
	recvx    uint   // 队头，记录接收者在 buf 中索引位置
	//通道元素相关
	elemsize uint16  //元素大小
	elemtype *_type // 元素类型
	//
	closed   uint32 //通道关闭标记
	recvq    waitq  // 阻塞的接收者队列 list of recv waiters
	sendq    waitq  // 阻塞的发送者队列 list of send waiters
	lock mutex //互斥锁，并发保护。也协助实现channel的同步作用，即当缓冲区耗尽时阻塞接收者或发送者
}

type waitq struct {
	first *sudog   //记录双向链表的头部
	last  *sudog   //记录双向链表的尾部
}
//其中sudog表示一个在等待链表中goroutine,比如channel中的recvq和sendq。sudog与goroutine是多对1的，如下：
// sudog is necessary because the g ↔ synchronization object relation
// is many-to-many. A g can be on many wait lists, so there may be
// many sudogs for one g; and many gs may be waiting on the same
// synchronization object, so there may be many sudogs for one object.

根据Go channel结构体可得其组成示意图如下：

... 代表代码省略

3.1、初始化

go 复制代码 
func makechan(t *chantype, size int) *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")
	}
	mem, overflow := math.MulUintptr(elem.size, uintptr(size))
	if overflow || mem > maxAlloc-hchanSize || size < 0 {
		panic(plainError("makechan: size out of range"))
	}
	var c *hchan
	switch {
	case mem == 0: //当缓冲区设置为0
		// Queue or element size is zero.
		c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true))
		// Race detector uses this location for synchronization.
		c.buf = c.raceaddr()
	case elem.ptrdata == 0: //当通道元素非指针
		// Elements do not contain pointers.
		// Allocate hchan and buf in one call.
		c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true))
		c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)
	default: //当通道元素是指针
		// Elements contain pointers.
		c = new(hchan)
		c.buf = mallocgc(mem, elem, true)
	}
	c.elemsize = uint16(elem.size)
	c.elemtype = elem
	c.dataqsiz = uint(size)
	lockInit(&c.lock, lockRankHchan) //初始化互斥锁
  ...
	return c
}
  1. 当缓冲区设置为0时，只需申请hchan结构体大小的内存即可；
  2. 当通道元素非指针时，需要申请hchanSize+mem大小的连续内存，前hchanSize大小用来存储hchan结构体，剩余的用来表示缓冲区；
  3. 当通道元素是指针时，hchan结构体和缓冲区的内存需要分开申请，因为当元素包含指针时，需要单独申请独立内存才能进行正常的垃圾回收。

3.2、发送消息

go 复制代码 
func selectnbsend(c *hchan, elem unsafe.Pointer) (selected bool) {
	return chansend(c, elem, false, getcallerpc()) //select 方法发送channel消息是非阻塞的
}
func chansend1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {
	chansend(c, elem, true, getcallerpc()) //正常的发送channel消息走阻塞逻辑，即没有缓冲区可用时就阻塞当前goroutine
}
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
	if c == nil {
		if !block {
			return false//走非阻塞模式，向nil chan发消息，返回false表示不可写
		}
		gopark(nil, nil, waitReasonChanSendNilChan, traceEvGoStop, 2)//走阻塞模式发消息，就会panic,提示【chan send (nil chan)】
		throw("unreachable")
	}

	if !block && c.closed == 0 && full(c) {
		return false //走非阻塞模式，向已关闭或缓冲区耗尽的通道发消息，返回false表示不可写
	}
	var t0 int64
	if blockprofilerate > 0 {
		t0 = cputicks()
	}
	lock(&c.lock)    //上锁
	if c.closed != 0 {
		unlock(&c.lock)
		panic(plainError("send on closed channel"))//走阻塞模式，向已关闭的通道发消息,就会panic
	}
  //下面就是核心了
	if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {//如果接收者队列中有等待读取的goroutine,直接将消息复制给队头协程，并唤醒它
		// 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
	}
  //如果缓冲区未被耗尽，则将消息放到缓冲区队尾
	if c.qcount < c.dataqsiz { 
		// Space is available in the channel buffer. Enqueue the element to send.
		qp := chanbuf(c, c.sendx)
		if raceenabled {
			racenotify(c, c.sendx, nil)
		}
		typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)
		c.sendx++
		if c.sendx == c.dataqsiz {
			c.sendx = 0
		}
		c.qcount++
		unlock(&c.lock)
		return true
	}

	if !block {//走非阻塞模式，返回false表示不可写
		unlock(&c.lock)
		return false
	}
  //如果缓冲区被耗尽，走同步模式，则将当前goroutine放入sudog结构中，并放入发送者队列末尾，最终进入休眠状态等待被唤醒
	// Block on the channel. Some receiver will complete our operation for us.
	gp := getg()//获取当前协程
	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    //将当前goroutine放入sudog结构中
	mysg.isSelect = false
	mysg.c = c
	gp.waiting = mysg
	gp.param = nil
	c.sendq.enqueue(mysg)//将sudog放入发送者队列末尾
	gp.parkingOnChan.Store(true)
	//进行协程切换，去执行别的goroutine,当前goroutine进入休眠状态
	gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanSend, traceEvGoBlockSend, 2)
   //等待被唤醒时继续执行后面的代码
	// Ensure the value being sent is kept alive until the
	// receiver copies it out. The sudog has a pointer to the
	// stack object, but sudogs aren't considered as roots of the
	// stack tracer.
	KeepAlive(ep)

	// someone woke us up.
	if mysg != gp.waiting {
		throw("G waiting list is corrupted")
	}
	gp.waiting = nil
	gp.activeStackChans = false
	closed := !mysg.success//channel被关闭后该字段值会被设为false
	gp.param = nil
	if mysg.releasetime > 0 {
		blockevent(mysg.releasetime-t0, 2)
	}
	mysg.c = nil
	releaseSudog(mysg)
	if closed { 
		if c.closed == 0 {
			throw("chansend: spurious wakeup")
		}
		panic(plainError("send on closed channel"))//在睡眠中，该channel被关闭了，再被唤醒，也会panic,一般不会触发，因为close是会先唤醒等待的读写队列后才会设置closed
	}
	return true
}
func send(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
...
goready(gp, skip+1) //将sg中的goroutine放到协程的运行队列中，优先放到当前P的本地运行队列，满了在放到全局运行队列，详情见Go GMP
...
}

对源码分析后，可知发送消息分为阻塞模式和非阻塞模式，我们最常用的是阻塞模式，核心逻辑如下：

  1. 当接收者队列中有等待读取的goroutine时,直接将消息复制给队头协程，并唤醒它。注意这里的唤醒并不是直接切换到队头协程，而是将其放到运行队列中，等待被调度；
  2. 不满足第一步，且当缓冲区未耗尽时，则将消息写入缓冲区队尾；
  3. 不满足第二步，且当缓冲区耗尽时，则将当前goroutine放入sudog结构中，并放入发送者队列sendq末尾，进行协程切换，令当前goroutine进入休眠状态等待被唤醒。

3.3、接收消息

go 复制代码 
func selectnbrecv(elem unsafe.Pointer, c *hchan) (selected, received bool) {
	return chanrecv(c, elem, false) //select 方法接收channel消息是非阻塞的
}
func chanrecv1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {
	chanrecv(c, elem, true)//正常的接收channel消息走阻塞逻辑，即缓冲区没有消息时就阻塞当前goroutine
}
//参数解析
//c  hchan结构体
//ep 接收消息的指针，v <- c,那么ep就是v的指针
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
	if c == nil {
		if !block {//走非阻塞模式，向nil chan发消息，返回false表示不可读
			return
		}
		gopark(nil, nil, waitReasonChanReceiveNilChan, traceEvGoStop, 2)//走阻塞模式发消息，就会panic,提示【chan receive (nil chan)】
		throw("unreachable")
	}
	// Fast path: check for failed non-blocking operation without acquiring the lock.
	if !block && empty(c) {//非阻塞模式且缓冲区大小为0
		if atomic.Load(&c.closed) == 0 {//已关闭的通道直接返回
			return
		}
		// The channel is irreversibly closed. Re-check whether the channel has any pending data
		// to receive, which could have arrived between the empty and closed checks above.
		// Sequential consistency is also required here, when racing with such a send.
		if empty(c) {
			// The channel is irreversibly closed and empty.
			if raceenabled {
				raceacquire(c.raceaddr())
			}
			if ep != nil {
				typedmemclr(c.elemtype, ep)
			}
			return true, false
		}
	}


	lock(&c.lock)//上锁
	if c.closed != 0 {
		if c.qcount == 0 {
			if raceenabled {
				raceacquire(c.raceaddr())
			}
			unlock(&c.lock)
			if ep != nil {
				typedmemclr(c.elemtype, ep)
			}
			return true, false //已关闭且缓冲区没有消息的直接返回，所以一个已关闭的channel也是可以读取消息的，但是已关闭的channel是无法写入消息的。
		}
		// The channel has been closed, but the channel's buffer have data.
	} else {
		// Just found waiting sender with not closed.
		if sg := c.sendq.dequeue(); sg != nil {  //如果发送者队列中有等待写入的goroutine,获取发送者队列中的队头goroutine，直接将其写入的消息复制给当前协程，并唤醒它
			recv(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
			return true, true
		}
	}

	if c.qcount > 0 {//如果缓冲区有消息，则直接获取缓冲区队头的消息，并复制到当前的读取协程中
		// Receive directly from queue
		qp := chanbuf(c, c.recvx)
		if raceenabled {
			racenotify(c, c.recvx, nil)
		}
		if ep != nil {
			typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)//将缓冲区的消息内容复制给承接消息内容的指针
		}
		typedmemclr(c.elemtype, qp)
		c.recvx++
		if c.recvx == c.dataqsiz {
			c.recvx = 0
		}
		c.qcount--
		unlock(&c.lock)
		return true, true
	}

	if !block {
		unlock(&c.lock)
		return false, false
	}
  //如果缓冲区没有消息，走同步模式，则将当前goroutine放入sudog结构中，并放入接收者队列末尾，最终进入休眠状态等待被唤醒
	// no sender available: block on this channel.
	gp := getg()//获取当前goroutine
	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 //将当前goroutine放入sudog结构中
	mysg.isSelect = false
	mysg.c = c
	gp.param = nil
	c.recvq.enqueue(mysg)//将sudog放入接收者队尾
	// Signal to anyone trying to shrink our stack that we're about
	// to park on a channel. The window between when this G's status
	// changes and when we set gp.activeStackChans is not safe for
	// stack shrinking.
	gp.parkingOnChan.Store(true)
	//进行协程切换，去执行别的goroutine,当前goroutine进入休眠状态
	gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanReceive, traceEvGoBlockRecv, 2)
  //当协程被唤醒，就继续执行后面的代码
	// someone woke us up
	if mysg != gp.waiting {
		throw("G waiting list is corrupted")
	}
	gp.waiting = nil
	gp.activeStackChans = false
	if mysg.releasetime > 0 {
		blockevent(mysg.releasetime-t0, 2)
	}
	success := mysg.success
	gp.param = nil
	mysg.c = nil
	releaseSudog(mysg)
	return true, success
}
func recv(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
	...
	goready(gp, skip+1)//将sg中的goroutine放到协程的运行队列中，优先放到当前P的本地运行队列，满了在放到全局运行队列，详情见Go GMP
}

对源码分析后，可知接收消息分为阻塞模式和非阻塞模式，我们最常用的是阻塞模式，核心逻辑如下：

  1. 当发送者队列有等待写入的goroutine时,获取发送者队列中的队头goroutine，直接将其写入的消息复制给当前协程，并唤醒它。注意这里的唤醒并不是直接切换到队头goroutine，而是将其放到运行队列中，等待被调度，这样就不会影响当前协程的运行；
  2. 不满足第一步，且当缓冲区有消息时，则将缓冲区队头消息复制给当前协程；
  3. 不满足第二步，且当缓冲区满或缓冲区大小为0时，则将当前goroutine放入sudog结构中，并放入接收者队列recvq末尾，进行协程切换，令当前goroutine进入休眠状态等待被唤醒。

3.4、关闭通道

go 复制代码 
func closechan(c *hchan) {
	if c == nil {//关闭未初始化的通道会panic
		panic(plainError("close of nil channel"))
	}
	lock(&c.lock)//上锁
	if c.closed != 0 {//重复关闭通道会panic
		unlock(&c.lock)
		panic(plainError("close of closed channel"))
	}
	...
	c.closed = 1 //设置closed标志位为1
	var glist gList
	// release all readers
	for {
		sg := c.recvq.dequeue()
		if sg == nil {
			break
		}
		...
		gp := sg.g
		...
		glist.push(gp)//收集所有接收者队列中被阻塞的goroutine
	}

	// release all writers (they will panic)
	for {
		sg := c.sendq.dequeue()
		if sg == nil {
			break
		}
		...
		gp := sg.g
		...
		glist.push(gp)//收集所有发送者队列中被阻塞的goroutine
	}
	unlock(&c.lock)

	// Ready all Gs now that we've dropped the channel lock.
	for !glist.empty() {
		gp := glist.pop()
		gp.schedlink = 0
		goready(gp, 3) //统一唤醒接收者队列和发送者队列中被阻塞的goroutine
	}
}

总结

经过第二、三章节的阅读几乎涵盖Go channel的所有知识点了，这里再多说一下chan是否必须close,其实是没必要的，当没有goroutine持有这个chan时其就会被gc回收,并不会泄漏。close最大的作用是唤醒所有接收者队列和发送者队列中被阻塞的goroutine。

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