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
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
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
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
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:
- 发送数据
往channel发送一个数据使用ch <-
go
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
。
- 接收数据
从channel接收一条数据可以使用<-ch
go
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
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。
- 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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
// 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
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
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
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
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
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
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
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 |