从 Go channel 源码中理解发送方和接收方是如何相互阻塞等待的

菜皮日记2023-12-16 13:32

并发编程的可见性

在 Go 官网上的内存模型一文中，介绍了在 Go 并发编程下数据可见性问题，可见性是并发编程中一个重要概念，指的是在哪些条件下，可以保证一个线程中读取某个变量时，可以观察到另一个线程对该变量的写入后的值，Go 语言中的 goroutine 也适用。

一般来说可见性属于偏硬件和底层，因为涉及到多核 CPU 的 cache 读写和同步问题，开发者不需要关心细节，高级编程语言要么屏蔽掉了这些细节，要么会给出一些保证，承诺在确定的条件下就会得到确定的结果。

Go channel 有一个特性是在一个无缓冲的 channel 上发送和接收必须等待对方准备好，才可以执行，否则会被阻塞。实际上这就是一个同步保证，那么这个同步保证是如何实现的？下面看看官方文章中是如何解释的。

先 send 后 receive

文中对 channel 的描述有几个原则，第一个是

A send on a channel is synchronized before the completion of the corresponding receive from that channel.

意思是：在一个 channel 上的发送操作应该发生在对应的接收操作完成之前。说人话就是：要先发送数据，然后才能接收数据，否则就会阻塞。这也比较符合一般的认知。

并用下面一段代码举例说明，这段代码确保一定会输出 "hello, world"。

go 复制代码 
var c = make(chan int, 10)
var a string

func f() {
	a = "hello, world"
	c <- 0
}

func main() {
	go f()
	<-c
	print(a)
}

f 函数负责给变量 a 赋值，main 函数负责打印变量 a。main 函数阻塞等待在 <- c 处，直到 f 函数对 a 赋值之后并写入数据到 c 中，main 函数才被唤醒继续执行，所以此时打印 a 必然会得到结果。

先 receive 后 send？

而下面这段描述有点反直觉

A receive from an unbuffered channel is synchronized before the completion of the corresponding send on that channel.

意思是在无缓冲 channel 上的接收操作发生在对应的发送操作完成之前，说人话就是：要先接收数据，之后才可以发送数据，否则就会阻塞。这句话看上去与第一条相悖，因为第一条强调发送操作要在接收完成之前发生，而这一条强调接收操作要在发送完成之前发生，这样相互等待对方的情况，不会陷入死锁状态吗？

下面的示例代码与前一个类似，区别是将 c 换成了无缓冲 channel，并把 c 的写入和读取调换了位置，这段代码同样可以保证输出 "hello, world"。

go 复制代码 
var c = make(chan int)
var a string

func f() {
	a = "hello, world"
	<-c
}

func main() {
	go f()
	c <- 0
	print(a)
}

这两段话到底是什么意思？为什么要相互等待但又不会死锁？

接下来看看 runtime/chan.go 中是怎么实现 channel 的发送和接收的。

channel 的结构

首先看看 channel 的数据结构

go 复制代码 
type hchan struct {
	qcount   uint           // 缓冲区元素数量
	dataqsiz uint           // 缓冲区大小
	buf      unsafe.Pointer // 缓冲区起始指针
	elemsize uint16
	closed   uint32
	elemtype *_type
	sendx    uint   // 下一次发送的元素在队列中的索引
	recvx    uint   // 下一个接收的元素在队列中的索引
	recvq    waitq  // 当队列无数据时，receiver 阻塞等待的队列
	sendq    waitq  // 当队列无空间时，sender 阻塞等待的队列

	lock mutex
}

channel 内部实现了一个环形队列，通过 qcount dataqsiz buf sendx recvx 几个部分组成。

另外 channel 还维护了两个等待队列，如果在执行 <-c receive 操作时，此时 channel 不满足接收条件，receiver 会进入 recvq 等待队列；同样的如果执行 c<- send 操作时，此时 channel 不满足发送条件，sender 会进入 sendq 等待队列。

具体看代码：

go 复制代码 
var c = make(chan int)
var a string

func f() {
	a = "hello, world"

	x := <-c    // 3
	fmt.Println("\nx:", x)
}

func main() {
	go f()      // 1
	c <- 123456 // 2

	print(a)
}

send 具体干了什么

当 main 函数执行到 c<-123456 是，会执行 runtime/chan.go 中的 chansend 函数，该函数首先会判断当前 channel c 的等待接收队列是否有阻塞的 receiver

go 复制代码 
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
  // ...省略部分代码...

  // 是否有等待的 receiver 存在
	if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {
		send(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
		return true
	}

  // ...省略部分代码...
}

如果有等待的 receiver 则弹出队列，调用 send 函数，其中 sg 就表示 receiver，sg.elem 表示将数据接收到哪里去，这个地址也就对应示例代码中的变量 x 的地址。

go 复制代码 
func send(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
  // ...省略部分代码...

	if sg.elem != nil {
		sendDirect(c.elemtype, sg, ep)
		sg.elem = nil
	}

  // ...省略部分代码...
  // 将 goroutine 置为可执行状态
}

sendDirect 函数就是直接从 src 里面将数据复制到 dst 中。

go 复制代码 
// 直接拷贝数据
func sendDirect(t *_type, sg *sudog, src unsafe.Pointer) {
	dst := sg.elem
	typeBitsBulkBarrier(t, uintptr(dst), uintptr(src), t.size)
	memmove(dst, src, t.size)
}

回到 chansend 函数，如果没有等待的 receiver，那么会查看当前 buf 中是否有空间，如果有空间，则数据缓存到 buf 中。

go 复制代码 
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
  // ...省略部分代码...

  // 将数据缓存到 buf 中
	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
	}

  // ...省略部分代码...
}

如果也没有 buf 空间，那么就将 sender 本身放入到 sendq 等待队列中。

go 复制代码 
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
  // ...省略部分代码...

  // 进入 sendq 等待队列
	gp := getg()
	mysg := acquireSudog()
	mysg.releasetime = 0
	if t0 != 0 {
		mysg.releasetime = -1
	}
	mysg.elem = ep
	mysg.waitlink = nil
	mysg.g = gp
	mysg.isSelect = false
	mysg.c = c
	gp.waiting = mysg
	gp.param = nil
	c.sendq.enqueue(mysg)

  // ...省略部分代码...
}

总结起来 send 操作分三部分：

  • 如果当前 channel 上有等待的 receiver，则直接 copy 数据过去
  • 否则如果当前 buf 有空闲空间，则将数据存在 buf 中
  • 否则将 sender 本身加入到 sendq 等待队列中

receive 具体干了什么

相应的与发送类似，执行到示例代码中第 (3) 步接收数据时，会调用 runtime/chan.go 中的 chanrecv 函数来处理接收，同样是先看 sender 等待队列是否有阻塞的 sender

go 复制代码 
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
  // ...省略部分代码...

  // 从等待的 sender 取一个出来
	if sg := c.sendq.dequeue(); sg != nil {
		recv(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
		return true, true
	}
  // ...省略部分代码...
}

如果有的等待的 sender，那么将 sender 取出来，并复制数据。

go 复制代码 
func recv(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
	// ...省略部分代码...
	if ep != nil {
		// copy data from sender
		recvDirect(c.elemtype, sg, ep)
	}
  // ...省略部分代码...
}

func recvDirect(t *_type, sg *sudog, dst unsafe.Pointer) {
	src := sg.elem
	typeBitsBulkBarrier(t, uintptr(dst), uintptr(src), t.size)
	memmove(dst, src, t.size)
}

如果没有等待的 sender，那么看 buf 中有没有缓存的数据

go 复制代码 
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
  // ...省略部分代码...
	if c.qcount > 0 {
		qp := chanbuf(c, c.recvx)
		if raceenabled {
			racenotify(c, c.recvx, nil)
		}
		if ep != nil {
			typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
		}
		typedmemclr(c.elemtype, qp)
		c.recvx++
		if c.recvx == c.dataqsiz {
			c.recvx = 0
		}
		c.qcount--
		unlock(&c.lock)
		return true, true
	}
  // ...省略部分代码...
}

最后如果也没有 buf 数据，那么久把自己加入到 receiver 等待队列中 recvq

go 复制代码 
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
  // ...省略部分代码...

	gp := getg()
	mysg := acquireSudog()
	mysg.releasetime = 0
	if t0 != 0 {
		mysg.releasetime = -1
	}
	mysg.elem = ep
	mysg.waitlink = nil
	gp.waiting = mysg
	mysg.g = gp
	mysg.isSelect = false
	mysg.c = c
	gp.param = nil
	c.recvq.enqueue(mysg)

  // ...省略部分代码...
}

总结起来 receive 操作分三部分：

  • 如果当前 channel 上有等待的 sender，则直接 copy 数据过去
  • 否则如果当前 buf 有缓存的数据，则将读取该数据
  • 否则将 receiver 本身加入到 recvq 等待队列中

小结

这样一来就能够理解前面的两个原则了，在一个无缓冲的 channel 中，无论是 sender 先执行，还是 receiver 先执行，都会因为找不到对方，并且没有 buf 空间的情况下，将自己加入到等待队列；当对方开始执行时就会检查到已经有对端正在阻塞，进而拷贝数据，并唤醒阻塞的对象最终走完整个流程。

有一种说法是：sender 必须在 receiver 准备好才能执行，否则就会阻塞；而 receiver 必须在 sender 准备好才能执行，否则就会阻塞；这个说法没错，但是太笼统了，什么叫准备好？怎么算是准备好？这是比较模糊的。而看过 send 和 receive 的流程之后，就更能理解整个过程了。

为什么要有无缓冲 channel

实际上两个 goroutine 相互等待对方到达某个状态的效果，非常类似操作系统中的一种同步机制：屏障 barrier，同步屏障要求只有当所有进程都到达屏障后，才能一起执行下一状态，否则就阻塞在屏障处。

回到 channel 操作，即 sender 和 receiver 无论谁先执行，都必须等待对方也已经执行，两者才可以继续执行。就像一块电路板串联有两个开关，要想电路联通，必须两个开关都被打开才可以，而不管哪一个先打开，都必须等待另一个开关也打开，之后电流才可以接通电路也才联通。

可以将无缓冲 channel 看做是一种同步屏障，同步屏障能够让多个 goroutine 都达到某种状态之后才可以继续执行，这是带缓冲 channel 无法做到的。另外在无缓冲 channel 数据的交换更加简单快速，因为不需要维护缓存 buf，实现逻辑也更简单，运行更可靠。

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