在Go中，要理解channel，首先需要认识goroutine。
一、为什么会有goroutine
现代操作系统中为我们提供了三种基本的构造并发程序的方法：多进程、I/O多路复用和多线程。其中最简单的构造方式当属多进程，但是多进程的并发程序，由于对进程控制和进程间通信开销巨大，这样的并发方式往往会很慢。
因此，操作系统提供了更小粒度的运行单元：线程（确切叫法是内核线程）。它是一种运行在进程上下文中的逻辑流，线程之间通过操作系统来调度，其调度模型如下图所示。
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多线程的并发方式，相较于多进程而言要快得多。但是由于线程上下文切换总是不可避免的陷入内核态，它的开销依然较大。那么有没有不必陷入内核态的运行载体呢？有，用户级线程。 用户级线程的切换由用户程序自己控制，不需要内核干涉，因此少了进出内核态的消耗。
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这里的用户级线程就是协程（coroutine），它们的切换由运行时系统来统一调度管理，内核并不知道它的存在。协程是抽象于内核线程之上的对象，一个内核线程可以对应多个协程。但最终的系统调用仍然需要内核线程来完成。注意，线程的调度是操作系统来管理，是一种抢占式调度。而协程不同，协程之间需要合作，会主动交出执行权，是一种协作式调度，这也是为何被称为协程的原因。
Go天生在语言层面支持了协程，即我们常说的goroutine。Go的runtime系统实现的是一种M:N调度模型，通过GMP对象来描述，其中G代表的就是协程，M是线程，P是调度上下文。在Go程序中，一个goroutine就代表着一个最小用户代码执行流，它们也是并发流的最小单元。
二、channel的存在定位
从内存的角度而言，并发模型只分两种：基于共享内存和基于消息通信（内存拷贝）。在Go中，两种并发模型的同步原语均有提供：sync.*和atomic.*代表的就是基于共享内存；channel代表的就是基于消息通信。而Go提倡后者，它包括三大元素：goroutine（执行体），channel（通信），select（协调）。
Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.
在Go中通过goroutine+channel的方式，可以简单、高效地解决并发问题，channel就是goroutine之间的数据桥梁。
Concurrency is the key to designing high performance network services. Go's concurrency primitives (goroutines and channels) provide a simple and efficient means of expressing concurrent execution.
以下是一个简单的channel使用示例代码。
func goroutineA(ch <-chan int) {
fmt.Println("[goroutineA] want a data")
val := <- ch
fmt.Println("[goroutineA] received the data", val)
}
func goroutineB(ch chan<- int) {
time.Sleep(time.Second*1)
ch <- 1
fmt.Println("[goroutineB] send the data 1")
}
func main() {
ch := make(chan int, 1)
go goroutineA(ch)
go goroutineB(ch)
time.Sleep(2*time.Second)
}
上述过程趣解图如下
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三、channel源码解析
channel源码位于src/go/runtime/chan.go。本章内容分为两部分：channel内部结构和channel操作。
3.1 channel内部结构
ch := make(chan int,2)
对于以上channel的申明语句，我们可以在程序中加入断点，得到ch的信息如下。
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很好，看起来非常的清晰。但是，这些信息代表的是什么含义呢？接下来，我们先看几个重要的结构体。
- hchan
当我们通过make(chan Type, size)生成channel时，在runtime系统中，生成的是一个hchan结构体对象。源码位于src/runtime/chan.go
type hchan struct {
qcount uint // 循环队列中数据数
dataqsiz uint // 循环队列的大小
buf unsafe.Pointer // 指向大小为dataqsize的包含数据元素的数组指针
elemsize uint16 // 数据元素的大小
closed uint32 // 代表channel是否关闭
elemtype *_type // _type代表Go的类型系统，elemtype代表channel中的元素类型
sendx uint // 发送索引号，初始值为0
recvx uint // 接收索引号，初始值为0
recvq waitq // 接收等待队列，存储试图从channel接收数据(<-ch)的阻塞goroutines
sendq waitq // 发送等待队列，存储试图发送数据(ch<-)到channel的阻塞goroutines
lock mutex // 加锁能保护hchan的所有字段，包括waitq中sudoq对象
}
- waitq
waitq用于表达处于阻塞状态的goroutines链表信息，first指向链头goroutine，last指向链尾goroutine
type waitq struct {
first *sudog
last *sudog
}
- sudug
sudog代表的就是一个处于等待列表中的goroutine对象，源码位于src/runtime/runtime2.go
type sudog struct {
g *g
next *sudog
prev *sudog
elem unsafe.Pointer // data element (may point to stack)
c *hchan // channel
...
}
为了更好理解hchan结构体，我们将通过以下代码来理解hchan中的字段含义。
package main
import "time"
func goroutineA(ch chan int) {
ch <- 100
}
func goroutineB(ch chan int) {
ch <- 200
}
func goroutineC(ch chan int) {
ch <- 300
}
func goroutineD(ch chan int) {
ch <- 300
}
func main() {
ch := make(chan int, 4)
for i := 0; i < 4; i++ {
ch <- i * 10
}
go goroutineA(ch)
go goroutineB(ch)
go goroutineC(ch)
go goroutineD(ch)
// 第一个sleep是为了给上足够的时间让所有goroutine都已启动
time.Sleep(time.Millisecond * 500)
time.Sleep(time.Second)
}
打开代码调试功能，将程序运行至断点time.Sleep(time.Second)处，此时得到的chan信息如下。
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在该channel中，通过make(chan int, 4)定义的channel大小为4，即dataqsiz的值为4。同时由于循环队列中已经添加了4个元素，所以qcount值也为4。此时，有4个goroutine（A-D）想发送数据给channel，但是由于存放数据的循环队列已满，所以只能进入发送等待列表，即sendq。同时要注意到，此时的发送和接收索引值均为0，即下一次接收数据的goroutine会从循环队列的第一个元素拿，发送数据的goroutine会发送到循环队列的第一个位置。
上述hchan结构可视化图解如下
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3.2 channel操作
将channel操作分为四部分：创建、发送、接收和关闭。
创建
本文的参考Go版本为1.15.2。其channel的创建实现代码位于src/go/runtime/chan.go的makechan方法。
func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
elem := t.elem
// 发送元素大小限制
if elem.size >= 1<<16 {
throw("makechan: invalid channel element type")
}
// 对齐检查
if hchanSize%maxAlign != 0 || elem.align > maxAlign {
throw("makechan: bad alignment")
}
// 判断是否会内存溢出
mem, overflow := math.MulUintptr(elem.size, uintptr(size))
if overflow || mem > maxAlloc-hchanSize || size < 0 {
panic(plainError("makechan: size out of range"))
}
// 为构造的hchan对象分配内存
var c *hchan
switch {
// 无缓冲的channel或者元素大小为0的情况
case mem == 0:
c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true))
c.buf = c.raceaddr()
// 元素不包含指针的情况
case elem.ptrdata == 0:
c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true))
c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)
// 元素包含指针
default:
c = new(hchan)
c.buf = mallocgc(mem, elem, true)
}
// 初始化相关参数
c.elemsize = uint16(elem.size)
c.elemtype = elem
c.dataqsiz = uint(size)
lockInit(&c.lock, lockRankHchan)
if debugChan {
print("makechan: chan=", c, "; elemsize=", elem.size, "; dataqsiz=", size, "\n")
}
return c
}
可以看到，makechan方法主要就是检查传送元素的合法性，并为hchan分配内存，初始化相关参数，包括对锁的初始化。
发送
channel的发送实现代码位于src/go/runtime/chan.go的chansend方法。发送过程，存在以下几种情况。
- 当发送的channel为nil
if c == nil {
if !block {
return false
}
gopark(nil, nil, waitReasonChanSendNilChan, traceEvGoStop, 2)
throw("unreachable")
}
往一个nil的channel中发送数据时，调用gopark函数将当前执行的goroutine从running态转入waiting态。
- 往已关闭的channel中发送数据
if c.closed != 0 {
unlock(&c.lock)
panic(plainError("send on closed channel"))
}
如果向已关闭的channel中发送数据，会引发panic。
- 如果已经有阻塞的接收goroutines（即recvq中指向非空），那么数据将被直接发送给接收goroutine。
if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {
// 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
}
该逻辑的实现代码在send方法和sendDirect中。
func send(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
... // 省略了竞态代码
if sg.elem != nil {
sendDirect(c.elemtype, sg, ep)
sg.elem = nil
}
gp := sg.g
unlockf()
gp.param = unsafe.Pointer(sg)
if sg.releasetime != 0 {
sg.releasetime = cputicks()
}
goready(gp, skip+1)
}
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)
}
其中，memmove我们已经在源码系列中遇到多次了，它的目的是将内存中src的内容拷贝至dst中去。另外，注意到goready(gp, skip+1)这句代码，它会使得之前在接收等待队列中的第一个goroutine的状态变为runnable，这样go的调度器就可以重新让该goroutine得到执行。
- 对于有缓冲的channel来说，如果当前缓冲区hchan.buf有可用空间，那么会将数据拷贝至缓冲区
if c.qcount < c.dataqsiz {
qp := chanbuf(c, c.sendx)
if raceenabled {
raceacquire(qp)
racerelease(qp)
}
typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)
// 发送索引号+1
c.sendx++
// 因为存储数据元素的结构是循环队列，所以当当前索引号已经到队末时，将索引号调整到队头
if c.sendx == c.dataqsiz {
c.sendx = 0
}
// 当前循环队列中存储元素数+1
c.qcount++
unlock(&c.lock)
return true
}
其中，chanbuf(c, c.sendx)是获取指向对应内存区域的指针。typememmove会调用memmove方法，完成数据的拷贝工作。另外注意到，当对hchan进行实际操作时，是需要调用lock(&c.lock)加锁，因此，在完成数据拷贝后，通过unlock(&c.lock)将锁释放。
- 有缓冲的channel，当hchan.buf已满；或者无缓冲的channel，当前没有接收的goroutine
gp := getg()
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
mysg.isSelect = false
mysg.c = c
gp.waiting = mysg
gp.param = nil
c.sendq.enqueue(mysg)
gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanSend, traceEvGoBlockSend, 2)
通过getg获取当前执行的goroutine。acquireSudog是先获得当前执行goroutine的线程M，再获取M对应的P，最后将P的sudugo缓存队列中的队头sudog取出（详见源码src/runtime/proc.go）。通过c.sendq.enqueue将sudug加入到channel的发送等待列表中，并调用gopark将当前goroutine转为waiting态。
- 发送操作会对hchan加锁。
- 当recvq中存在等待接收的goroutine时，数据元素将会被直接拷贝给接收goroutine。
- 当recvq等待队列为空时，会判断hchan.buf是否可用。如果可用，则会将发送的数据拷贝至hchan.buf中。
- 如果hchan.buf已满，那么将当前发送goroutine置于sendq中排队，并在运行时中挂起。
- 向已经关闭的channel发送数据，会引发panic。
对于无缓冲的channel来说，它天然就是hchan.buf已满的情况，因为它的hchan.buf的容量为0。
package main
import "time"
func main() {
ch := make(chan int)
go func(ch chan int) {
ch <- 100
}(ch)
time.Sleep(time.Millisecond * 500)
time.Sleep(time.Second)
}
在上述示例中，发送goroutine向无缓冲的channel发送数据，但是没有接收goroutine。将断点置于time.Sleep(time.Second)，得到此时ch结构如下。
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可以看到，在无缓冲的channel中，其hchan的buf长度为0，当没有接收groutine时，发送的goroutine将被置于sendq的发送队列中。
接收
channel的接收实现分两种，v :=<-ch对应于chanrecv1，v, ok := <- ch对应于chanrecv2，但它们都依赖于位于src/go/runtime/chan.go的chanrecv方法。
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
}
chanrecv的详细代码此处就不再展示，和chansend逻辑对应，具体处理准则如下。
- 接收操作会对hchan加锁。
- 当sendq中存在等待发送的goroutine时，意味着此时的hchan.buf已满（无缓存的天然已满），分两种情况（见代码src/go/runtime/chan.go的recv方法）：1. 如果是有缓存的hchan，那么先将缓冲区的数据拷贝给接收goroutine，再将sendq的队头sudog出队，将出队的sudog上的元素拷贝至hchan的缓存区。 2. 如果是无缓存的hchan，那么直接将出队的sudog上的元素拷贝给接收goroutine。两种情况的最后都会唤醒出队的sudog上的发送goroutine。
- 当sendq发送队列为空时，会判断hchan.buf是否可用。如果可用，则会将hchan.buf的数据拷贝给接收goroutine。
- 如果hchan.buf不可用，那么将当前接收goroutine置于recvq中排队，并在运行时中挂起。
- 与发送不同的是，当channel关闭时，goroutine还能从channel中获取数据。如果recvq等待列表中有goroutines，那么它们都会被唤醒接收数据。如果hchan.buf中还有未接收的数据，那么goroutine会接收缓冲区中的数据，否则goroutine会获取到元素的零值。
以下是channel关闭之后，接收goroutine的读取示例代码。
func main() {
ch := make(chan int, 1)
ch <- 10
close(ch)
a, ok := <-ch
fmt.Println(a, ok)
b, ok := <-ch
fmt.Println(b, ok)
c := <-ch
fmt.Println(c)
}
//输出如下
10 true
0 false
0
注意：在channel中进行的所有元素转移都伴随着内存的拷贝。
func main() {
type Instance struct {
ID int
name string
}
var ins = Instance{ID: 1, name: "Golang"}
ch := make(chan Instance, 3)
ch <- ins
fmt.Println("ins的原始值：", ins)
ins.name = "Python"
go func(ch chan Instance) {
fmt.Println("channel接收值：", <-ch)
}(ch)
time.Sleep(time.Second)
fmt.Println("ins的最终值：", ins)
}
// 输出结果
ins的原始值： {1 Golang}
channel接收值： {1 Golang}
ins的最终值： {1 Python}
前半段图解如下
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后半段图解如下
12.png
注意，如果把channel传递类型替换为Instance指针时，那么尽管channel存入到buf中的元素已经是拷贝对象了，从channel中取出又被拷贝了一次。但是由于它们的类型是Instance指针，拷贝对象与原始对象均会指向同一个内存地址，修改原有元素对象的数据时，会影响到取出数据。
func main() {
type Instance struct {
ID int
name string
}
var ins = &Instance{ID: 1, name: "Golang"}
ch := make(chan *Instance, 3)
ch <- ins
fmt.Println("ins的原始值：", ins)
ins.name = "Python"
go func(ch chan *Instance) {
fmt.Println("channel接收值：", <-ch)
}(ch)
time.Sleep(time.Second)
fmt.Println("ins的最终值：", ins)
}
// 输出结果
ins的原始值： &{1 Golang}
channel接收值： &{1 Python}
ins的最终值： &{1 Python}
因此，在使用channel时，尽量避免传递指针，如果传递指针，则需谨慎。
关闭
channel的关闭实现代码位于src/go/runtime/chan.go的chansend方法，详细执行逻辑已通过注释写明。
func closechan(c *hchan) {
// 如果hchan对象为nil，则会引发painc
if c == nil {
panic(plainError("close of nil channel"))
}
// 对hchan加锁
lock(&c.lock)
// 不同多次调用close(c chan<- Type)方法，否则会引发painc
if c.closed != 0 {
unlock(&c.lock)
panic(plainError("close of closed channel"))
}
if raceenabled {
callerpc := getcallerpc()
racewritepc(c.raceaddr(), callerpc, funcPC(closechan))
racerelease(c.raceaddr())
}
// close标志
c.closed = 1
// gList代表Go的GMP调度的G集合
var glist gList
// 该for循环是为了释放recvq上的所有等待接收sudog
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 = nil
if raceenabled {
raceacquireg(gp, c.raceaddr())
}
glist.push(gp)
}
// 该for循环会释放sendq上的所有等待发送sudog
for {
sg := c.sendq.dequeue()
if sg == nil {
break
}
sg.elem = nil
if sg.releasetime != 0 {
sg.releasetime = cputicks()
}
gp := sg.g
gp.param = nil
if raceenabled {
raceacquireg(gp, c.raceaddr())
}
glist.push(gp)
}
// 释放sendq和recvq之后，hchan释放锁
unlock(&c.lock)
// 将上文中glist中的加入的goroutine取出，让它们均变为runnable（可执行）状态，等待调度器执行
// 注意：我们上文中分析过，试图向一个已关闭的channel发送数据，会引发painc。
// 所以，如果是释放sendq中的goroutine，它们一旦得到执行将会引发panic。
for !glist.empty() {
gp := glist.pop()
gp.schedlink = 0
goready(gp, 3)
}
}
关于关闭操作，有几个点需要注意一下。
- 如果关闭已关闭的channel会引发painc。
- 对channel关闭后，如果有阻塞的读取或发送goroutines将会被唤醒。读取goroutines会获取到hchan的已接收元素，如果没有，则获取到元素零值；发送goroutine的执行则会引发painc。
对于第二点，我们可以很好利用这一特性来实现对程序执行流的控制（类似于sync.WaitGroup的作用），以下是示例程序代码。
func main() {
ch := make(chan struct{})
//
go func() {
// do something work...
// when work has done, call close()
close(ch)
}()
// waiting work done
<- ch
// other work continue...
}
四、总结
channel是Go中非常强大有用的机制，为了更有效地使用它，我们必须了解它的实现原理，这也是写作本文的目的。
- hchan结构体有锁的保证，对于并发goroutine而言是安全的
- channel接收、发送数据遵循FIFO（First In First Out）原语
- channel的数据传递依赖于内存拷贝
- channel能阻塞（gopark）、唤醒（goready）goroutine
- 所谓无缓存的channel，它的工作方式就是直接发送goroutine拷贝数据给接收goroutine，而不通过hchan.buf
另外，可以看到Go在channel的设计上权衡了简单与性能。为了简单性，hchan是有锁的结构，因为有锁的队列会更易理解和实现，但是这样会损失一些性能。考虑到整个 channel 操作带锁的成本较高，其实官方也曾考虑过使用无锁 channel 的设计，但是由于目前已有提案中（https://github.com/golang/go/issues/8899），无锁实现的channel可维护性差、且实际性能测试不具有说服力，而且也不符合Go的简单哲学，因此官方目前为止并没有采纳无锁设计。
在性能上，有一点，我们需要认识到：所谓channel中阻塞goroutine，只是在runtime系统中被blocked，它是用户层的阻塞。而实际的底层内核线程不受影响，它仍然是unblocked的。
参考链接
https://speakerdeck.com/kavya719/understanding-channels
https://codeburst.io/diving-deep-into-the-golang-channels-549fd4ed21a8
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