go 的 channel 实现原理

数据结构

src/runtime/chan.go:hchan 中定义了管道的数据结构：

type hchan struct {
    qcount   uint           // chan 里元素数量
    dataqsiz uint           // 底层循环数组的数量
    buf      unsafe.Pointer // 指向底层循环数组的指针，只针对有缓冲的 channel
    elemsize uint16         // chan 中元素大小
    closed   uint32         // chan 是否被关闭的标志
    elemtype *_type         // chan 中元素类型
    sendx    uint           // 已发送元素在循环数组中的索引
    recvx    uint           // 已接收元素在循环数组中的索引
    recvq    waitq          // 等待接收的 goroutine 队列
    sendq    waitq          // 等待发送的 goroutine 队列

    lock mutex              // 保护 hchan 中所有字段
}

从上面的数据结构可以看出来，hchan 由 缓冲队列，类型信息，协程等待队列 和 互斥锁 组成。

• 环形队列
  chan 内部实现了一个环形队列作为其缓冲区，队列的长度是在创建chan时指定的。
  image.png

• 等待队列

  • 从 channel 读取数据时，如果 channel 为空或者没有缓冲区，则当前协程会被阻塞，并被加入recvq 队列。
  • 从 channel 写入数据时，如果 channel 已满或没有缓冲区，则当前 协程 会被阻塞，并被加入到 sendq 队列
  image.png

  处于等待队列中的协程会在其他协程操作channel 时被唤醒：

  • 因读阻塞的协程会被向channel 写入数据的协程唤醒
  • 因写阻塞的协程会被从channel 读取数据的协程唤醒

• 类型信息
  一个 channel 只能传递一种类型的值，类型信息存储在 hchan 数据结构中。

  • elemtype 代表类型，用于在数据传递过程中赋值
  • elemsize 代表类型大小，用于在buf中定位元素的位置

• 互斥锁
  一个管道同时仅允许被一个协程读写，所以这里还会包含一个互斥锁。

channel 的 创建

创建 channel 的过程实际上是初始化 hchan 结构体的过程，其中类型信息和缓冲区的产固定由内置函数make指定，buf 的大小则由元素大小和缓冲区长度共同决定。

向 channel 写入数据

关闭 channel 会把 recvq 中的协程全部唤醒，这些协程获取的数据都为对应类型的零值，同时会把 sendq 队列中的协程全部唤醒，但这些协程会触发 panic

向一个 channel 写入数据的过程如下：

• 如果缓冲区有空余位置，则将数据写入缓冲区，结束发送过程
• 如果缓冲区没有空余位置，则将当前协程加入sendq队列，进入睡眠并等待被读协程唤醒。

这里实现上还有个小技巧，当接收队列recvq不为空时，说明缓冲区没有数据但有协程在等待数据，此时会把数据直接传递给recvq的队列中的第一个协程，而不必再写入缓冲区。

image.png

向 channel 读取数据

如果一个 channel 读取数据简单过程如下：

• 如果缓冲区有数据，则从缓冲区取出数据，结束读取过程。
• 如果缓冲区中没有数据，则将当前协程中加入recvq队列，进入睡眠并等待被写协程唤醒。

类似的，如果等待发送队列sendq不为空，且没有缓冲区，那么此时将直接从 sendq 队列第一个协程中获取数据。

image.png

关闭 channel

关闭 channel 时会把 recvq 中的协程全部唤醒，这些协程获取的数据都为对应类型的零值，同时会把 sendq 队列中的协程全部唤醒，但这些协程会触发 panic。