深入解析Go Channel的神秘原理

Serena2024-01-31 10:38

我们在学习与使用Go语言的过程中，对channel并不陌生，channel是Go语言与众不同的特性之一，也是非常重要的一环，深入理解Channel，相信能够在使用的时候更加的得心应手。

一、Channel基本用法

1、channel类别

channel在类型上，可以分为两种：

  • 双向channel ：既能接收又能发送的channel
  • 单向channel ：只能发送或只能接收的channel，即单向channel可以为分为：
    • 只写channel
    • 只读channel

声明并初始化如下如下：

go 复制代码 
func main() {
    // 声明并初始化
    var ch chan string = make(chan string) // 双向channel
    var readCh <-chan string = make(<-chan string) // 只读channel
    var writeCh chan<- string = make(chan<- string) // 只写channel
}

上述定义中，<-表示单向的channel。如果箭头指向chan，就表示只写channel，可以往chan里边写入数据；如果箭头远离chan，则表示为只读channel，可以从chan读数据。

在定义channel时，可以定义任意类型的channel，因此也同样可以定义chan类型的channel。例如：

go 复制代码 
a := make(chan<- chan int)   // 定义类型为 chan int 的写channel
b := make(chan<- <-chan int) // 定义类型为 <-chan int 的写channel
c := make(<-chan <-chan int) // 定义类型为 <-chan int 的读channel
d := make(chan (<-chan int)) // 定义类型为 (<-chan int) 的读channel

当channel未初始化时，其零值为nil 。nil 是 chan 的零值，是一种特殊的 chan，对值是 nil 的 chan 的发送接收调用者总是会阻塞。

go 复制代码 
func main() {
    var ch chan string
    fmt.Println(ch) // <nil>
}

通过make我们可以初始化一个channel，并且可以设置其容量的大小，如下初始化了一个类型为string，其容量大小为512的channel：

go 复制代码 
var ch chan string = make(chan string, 512)

当初始化定义了channel的容量，则这样的channel叫做buffered chan，即有缓冲channel 。如果没有设置容量，channel的容量为0，这样的channel叫做unbuffered chan，即无缓冲channel。

有缓冲channel中，如果channel中还有数据，则从这个channel接收数据时不会被阻塞。如果channel的容量还未满，那么向这个channel发送数据也不会被阻塞，反之则会被阻塞。

无缓冲channel则只有当读写操作都准备好后，才不会阻塞，这也是unbuffered chan在使用过程中非常需要注意的一点，否则可能会出现常见的bug。

channel的常见操作：

  1. 发送数据

往channel发送一个数据使用ch <-

go 复制代码 
func main() {
    var ch chan int = make(chan int, 512)
    ch <- 2000
}

上述的ch可以是chan int类型，也可以是单向chan <-int。

  1. 接收数据

从channel接收一条数据可以使用<-ch

go 复制代码 
func main() {
    var ch chan int = make(chan int, 512)
    ch <- 2000 // 发送数据

    data := <-ch // 接收数据
    fmt.Println(data) // 2000
}

ch 类型是 chan T，也可以是单向<-chan T

在接收数据时，可以返回两个返回值。第一个返回值返回channel中的元素，第二个返回值为bool类型 ，表示是否成功地从channel中读取到一个值。

如果第二个参数是false，则表示channel已经被close而且channel中没有缓存的数据，这个时候第一个值返回的是零值。

go 复制代码 
func main() {
    var ch chan int = make(chan int, 512)
    ch <- 2000 // 发送数据

    data1, ok1 := <-ch // 接收数据
    fmt.Printf("data1 = %d, ok1 = %t\n", data1, ok1) // data1 = 2000, ok1 = true
    close(ch)  // 关闭channel
    data2, ok2 := <-ch  // 接收数据
    fmt.Printf("data2 = %d, ok2 = %t", data2, ok2) // data2 = 0, ok2 = false
}

所以，如果从channel读取到一个零值，可能是发送操作真正发送的零值，也可能是closed关闭channel并且channel没有缓存元素产生的零值，这是需要注意判别的一个点。

  1. 其他操作

Go内建的函数close、cap、len都可以对chan类型进行操作。

  • close：关闭channel。
  • cap：返回channel的容量。
  • len：返回channel缓存中还未被取走的元素数量。
go 复制代码 
func main() {
    var ch chan int = make(chan int, 512)
    ch <- 100
    ch <- 200
    fmt.Println("ch len:", len(ch)) // ch len: 2
    fmt.Println("ch cap:", cap(ch)) // ch cap: 512
}

发送操作 与接收操作 可以作为select语句中的case clause，例如：

go 复制代码 
func main() {
    var ch = make(chan int, 512)
    for i := 0; i < 10; i++ {
       select {
       case ch <- i:
       case v := <-ch:
          fmt.Println(v)
       }
    }
}

for-range语句同样可以在chan中使用，例如：

go 复制代码 
func main() {
    var ch = make(chan int, 512)
    ch <- 100
    ch <- 200
    ch <- 300
    for v := range ch {
       fmt.Println(v)
    }
}

// 执行结果
100
200
300

二、Channel实现原理

从代码的角度剖析channel的实现，能够让我们更好的去使用channel。

我们可以从chan类型的数据结构、初始化以及三个操作发送、接收和关闭这几个方面来了解channel。

1、chan数据结构

chan类型的数据结构定义位于runtime.hchan，其结构体定义如下：

go 复制代码 
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
}

解释一下上述各个字段的意义：

  • qcount：表示chan中已经接收到的数据且还未被取走的元素个数。内建函数len可以返回这个字段的值。
  • datasiz：循环队列的大小。chan在实现上使用一个循环队列来存放元素的个数，循环队列适用于生产者-消费者的场景。
  • buf：存放元素的循环队列buffer，buf 字段是一个指向队列缓冲区的指针，即指向一个dataqsiz元素的数组。buf 字段是使用 unsafe.Pointer 类型来表示队列缓冲区的起始地址。unsafe.Pointer是一种特殊的指针类型，它可以用于指向任何类型的数据。由于队列缓冲区的类型是动态分配的，所以不能直接使用某个具体类型的指针来表示。
  • elemtype、elemsize：elemtype表示chan中元素的数据类型，elemsize表示其大小。当chan定义后，它的元素类型是固定的，即普通类型或者指针类型，因此元素大小也是固定的。
  • sendx：处理发送数据操作的指针在buf队列中的位置。当channel接收到了新的数据时，该指针就会加上elemsize，移动到下一个位置。buf 的总大小是elemsize的整数倍且buf是一个循环列表。
  • recvx：处理接收数据操作的指针在buf队列中的位置。当从buf中取出数据，此指针会移动到下一个位置。
  • recvq：当接收操作发现channel中没有数据可读时，会被则色，此时会被加入到recvq队列中。
  • sendq：当发送操作发现buf队列已满时，会被进行阻塞，此时会被加入到sendq队列中。

2、chan初始化

channel在进行初始化时，Go编译器会根据是否传入容量的大小，来选择调用makechan64，还是makechan。makechan64在实现上底层还是调用makechan来进行初始化，makechan64只是对size做了检查。

makechan函数根据chan的容量的大小和元素的类型不同，初始化不同的存储空间。省略一些检查代码，makechan函数的主要逻辑如下：

go 复制代码 
func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
    elem := t.elem
    
    ...

    mem, overflow := math.MulUintptr(elem.size, uintptr(size))
    
    ...
    
    var c *hchan
    switch {
    case mem == 0:
       // 队列或元素大小为零，不必创建buf
       c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true))
       c.buf = c.raceaddr()
    case elem.ptrdata == 0:
       // 元素不包含指针，分配一块连续的内存给hchan数据结构和buf
       // hchan数据结构后面紧接着就是buf，在一次调用中分配hchan和buf
       c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true))
       c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)
    default:
       // 元素包含指针，单独分配buf
       c = new(hchan)
       c.buf = mallocgc(mem, elem, true)
    }

    // 记录元素大小、类型、容量
    c.elemsize = uint16(elem.size)
    c.elemtype = elem
    c.dataqsiz = uint(size)
    lockInit(&c.lock, lockRankHchan)
    
    ...
    
    return c
}

3、send发送操作

Go在编译发送数据给channel时，会把发送操作send转换成chansend1函数，而chansend1函数会调用chansend函数。

go 复制代码 
func chansend1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {
    chansend(c, elem, true, getcallerpc())
}

我们可以来分段分析chansend函数的实现逻辑。

第一部分:

主要是对chan进行判断，判断chan是否为nil，若为nil，则判断是否需要将当前goroutine进行阻塞，阻塞通过gopark来对调用者goroutine park(阻塞休眠)。

go 复制代码 
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
    // 第一部分
    if c == nil { // 判断chan是否为nil
       if !block { // 判断是否需要阻塞当前goroutine
          return false
       }
       // 调用这goroutine park，进行阻塞休眠
       gopark(nil, nil, waitReasonChanSendNilChan, traceEvGoStop, 2)
       throw("unreachable")
    }
    
    ...
}

第二部分

第二部分的逻辑判断是当你往一个容量已满的chan实例发送数据，且不想当前调用的goroutine被阻塞时（chan未被关闭），那么处理的逻辑是直接返回。

go 复制代码 
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
    ...
    // 第二部分
    if !block && c.closed == 0 && full(c) {
        return false
    }
    ...
}

第三部分

第三部分的逻辑判断是首先进行互斥锁加锁，然后判断当前chan是否关闭，如果chan已经被close了，则释放互斥锁并panic，即对已关闭的chan发送数据会panic。

go 复制代码 
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
    ...
    // 第三部分
    lock(&c.lock) // 开始加锁

    if c.closed != 0 { // 判断channel是否关闭
        unlock(&c.lock)
        panic(plainError("send on closed channel"))
    }
    ...
}

第四部分

第四部分的逻辑主要是判断接收队列中是否有正在等待的接收方receiver。如果存在正在等待的receiver（说明此时buf中没有缓存的数据），则将他从接收队列中弹出，直接将需要发送到channel的数据交给这个receiver，而无需放入到buf中，让发送操作速度更快一些。

go 复制代码 
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
    ...
    
    // 第四部分
    if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {
       // 找到了一个正在等待的接收者。我们传递我们想要发送的值
       // 直接传递给receiver接收者，绕过channel buf缓存区(如果receiver有的话)
       send(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
       return true
    }

    ...
}

第五部分

当等待队列中并没有正在等待的receiver，则说明当前buf还没有满，此时将发送的数据放入到buf中。

go 复制代码 
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
    ...
    
    // 第五部分
    if c.qcount < c.dataqsiz { // 判断buf是否满了
       // channel buf还有可用的空间. 将发送数据入buf循环队列.
       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
    }
    
    ...
}

第六部分

当逻辑走到第六部分，说明正在处理buf已满的情况。如果buf已满，则发送操作的goroutine就会加入到发送者的等待队列，直到被唤醒。当goroutine被唤醒时，数据或者被取走了，或者chan已经被关闭了。

go 复制代码 
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
    ...
    // 第六部分
    
    // chansend1函数调用不会进入if块里，因为chansend1的block=true
    if !block {
       unlock(&c.lock)
       return false
    }
    
    ...
    
    c.sendq.enqueue(mysg) // 加入发送队列
    
    ...
    
    gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanSend, traceEvGoBlockSend, 2) // 阻塞
    
    ...
}

4、recv接收操作

从channel中接收数据时，Go会将代码转换成chanrecv1函数。如果需要返回两个返回值，则会转换成chanrecv2，chanrecv1函数和chanrecv2都会调用chanrecv函数。chanrecv1和chanrecv2传入的 block参数的值是true，两种调用都是阻塞方式，因此在分析chanrecv函数的实现时，可以不考虑 block=false的情况。

go 复制代码 
// 从已编译代码中进入 <-c 的入口点
func chanrecv1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {
    chanrecv(c, elem, true)
}

func chanrecv2(c *hchan, elem unsafe.Pointer) (received bool) {
    _, received = chanrecv(c, elem, true)
    return
}

同样，省略一些检查类的代码，我们也可以分段分析chanrecv函数的逻辑。

第一部分

第一部分主要判断当前进行接收操作的chan实例是否为nil，若为nil，则从nil chan中接收数据的调用这goroutine会被阻塞。

go 复制代码 
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
    ...
    // 第一部分
    if c == nil { // 判断chan是否为nil
       if !block { // 是否阻塞，默认为block=true
          return
       }
       // 进行阻塞
       gopark(nil, nil, waitReasonChanReceiveNilChan, traceEvGoStop, 2)
       throw("unreachable")
    }
    ...
}

第二部分 这一部分只要是考虑block=false且c为空的情况，block=false的情况我们可以不做考虑。

go 复制代码 
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
    ...
    // 检查未获得锁的失败非阻塞操作。
    if !block && empty(c) {
        ...
    }
    ...
}

第三部分

第三部分的逻辑为判断当前chan是否被关闭，若当前chan已经被close了，并且缓存队列中没有缓冲的元素时，返回true、false。

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

    ...
   
    lock(&c.lock) // 加锁，返回时释放锁
    
    // 第三部分
    if c.closed != 0 { // 当chan已被关闭时
        if c.qcount == 0 { // 且 buf区 没有缓存的数据了
            
            ...
            
            unlock(&c.lock) // 解锁
            if ep != nil {
               typedmemclr(c.elemtype, ep)
            }
            return true, false
        }
    } 
    ...
}

第四部分

第四部分是处理通道未关闭且buf缓存队列已满的情况。只有当缓存队列已满时，才能够从发送等待队列获取到sender。若当前的chan为unbuffer的chan，即无缓冲区channel时，则直接将sender的发送数据传递给receiver。否则就从缓存队列的头部读取一个元素值，并将获取的sender携带的值加入到buf循环队列的尾部。

go 复制代码 
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
    ...
    if c.closed != 0 { // 当chan已被关闭时
    
    } else { // 第四部分，通道未关闭
       // 如果sendq队列中有等待发送的sender
       if sg := c.sendq.dequeue(); sg != nil {
          // 存在正在等待的sender，如果缓存区的容量为0则直接将发送方的值传递给接收方
          // 反之，则从缓存队列的头部获取数据，并将获取的sender的发送值加入到缓存队列尾部
          recv(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
          return true, true
       }
    }
    
    ...
}

第五部分

第五部分的主要逻辑是处理发送队列中没有等待的sender且buf中有缓存的数据。该段逻辑与外出的互斥锁共用一把锁，因此不存在并发问题。当buf缓存区有缓存元素时，则取出该元素传递给receiver，同时移动接收指针。

go 复制代码 
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
    ...
    
    // 第五部分
    if c.qcount > 0 { // 发送队列中没有等待的sender，且buf中有缓存数据
        // 直接从缓存队列中获取数据
        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++ // 移动接收指针
        if c.recvx == c.dataqsiz { // 指针若已到末尾则进行重置(循环队列)
           c.recvx = 0
        }
        c.qcount-- // 获取数据后，buf缓存区元素个数减一
        unlock(&c.lock) // 解锁
        return true, true
    }

    if !block { // block=true
        unlock(&c.lock)
        return false, false
    }
    ...
}

第六部分

第六部分的逻辑主要是处理buf缓存区中没有缓存数据的情况。当buf缓存区没有缓存数据时，那么当前的receiver就会被阻塞，直到它从sender中接收了数据，或者是chan被close，才会返回。

go 复制代码 
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
    ...
    c.recvq.enqueue(mysg) // 将当前接收操作入接收队列
    
    ...
    
    // 进行阻塞，等待唤醒
    gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanReceive, traceEvGoBlockRecv, 2)
    ...
}

5、close关闭

close函数主要用于channel的关闭，Go编译器会替换成closechan函数的调用。省略一些检查下的代码后，closechan函数的主要逻辑如下：

  • 如果当前chan为nil，则直接panic
  • 如果当前chan已关闭，再次close则直接panic
  • 如果chan不为nil，chan也没有closed，就把等待队列中的 sender（writer）和 receiver（reader）从队列中全部移除并唤醒。
go 复制代码 
func closechan(c *hchan) {
    if c == nil { // 若当前chan未nil，则直接panic
       panic(plainError("close of nil channel"))
    }

    lock(&c.lock) // 加锁
    
    if c.closed != 0 { // 若当前chan已经关闭，则直接panic
       unlock(&c.lock)
       panic(plainError("close of closed channel"))
    }
    
    ...

    c.closed = 1 // 设置当前channel的状态为已关闭

    var glist gList

    // 释放接收队列中所有的reader
    for {
       sg := c.recvq.dequeue()
       if sg == nil {
          break
       }
       if sg.elem != nil {
          typedmemclr(c.elemtype, sg.elem)
          sg.elem = nil
       }
       if sg.releasetime != 0 {
          sg.releasetime = cputicks()
       }
       gp := sg.g
       gp.param = unsafe.Pointer(sg)
       sg.success = false
       if raceenabled {
          raceacquireg(gp, c.raceaddr())
       }
       glist.push(gp)
    }

    // 释放发送队列中所有的writer (它们会panic)
    for {
       sg := c.sendq.dequeue()
       if sg == nil {
          break
       }
       sg.elem = nil
       if sg.releasetime != 0 {
          sg.releasetime = cputicks()
       }
       gp := sg.g
       gp.param = unsafe.Pointer(sg)
       sg.success = false
       if raceenabled {
          raceacquireg(gp, c.raceaddr())
       }
       glist.push(gp)
    }
    unlock(&c.lock)

    for !glist.empty() {
       gp := glist.pop()
       gp.schedlink = 0
       goready(gp, 3)
    }
}

三、总结

通过学习channel的基本使用，了解其操作背后的实现原理，可以帮助我们更好的使用channel，避免一些操作不当而导致的panic或者说是bug，让我们在使用channel时能够更加的得心应手。

channel的值和状态有多种情况，而不同的操作（send、recv、close）又可能得到不同的结果，这是使用 channel 类型时需要经常注意的点，我们可以将不同channel值下的不同操作进行一个总结，特别注意操作channel时会产生panic的情况，已经可能会导致线程阻塞的情况 ，都是有可能导致死锁与goroutine泄漏的罪魁祸首。

channel执行操作\channel状态 channel为nil channel buf为空 channel buf已满 channel buf未满且不为空 channel已关闭
receive接收操作 阻塞 阻塞 读取数据 读取数据 返回buf中缓存的数据
send发送操作 阻塞 写入数据 阻塞 写入数据 panic
close关闭 panic 关闭channel，buf中没有缓存数据 关闭channel，保留已缓存的数据 关闭channel，保留已缓存的数据 panic
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