深入理解Golang Channel 的底层结构

目录

• make chan
• 发送和接收
• Goroutine Pause/Resume
• wait empty channel

Golang 使用 Groutine 和 channels 实现了 CSP(Communicating Sequential Processes) 模型，channles在 goroutine 的通信和同步中承担着重要的角色。

在GopherCon 2017 中，Golang 专家 Kavya 深入介绍了 Go Channels 的内部机制，以及运行时调度器和内存管理系统是如何支持 Channel 的，本文根据 Kavya 的 ppt 学习和分析一下 go channels 的原理，希望能够对以后正确高效使用 golang 的并发带来一些启发。

以一个简单的 channel 应用开始，使用 goroutine 和 channel 实现一个任务队列，并行处理多个任务。

func main(){  
    //带缓冲的 channel  
    ch := make(chan Task, 3)  

    //启动固定数量的 worker  
    for i := 0; i< numWorkers; i++ {  
        go worker(ch)  
    }  

    //发送任务给 worker  
    hellaTasks := getTaks()  

    for _, task := range hellaTasks {  
        ch <- task  
    }  

    ...  
}  

func worker(ch chan Task){  
    for {  
       //接受任务  
       task := <- ch  
       process(task)  
    }  
}  

从上面的代码可以看出，使用 golang 的 goroutine 和 channel 可以很容易的实现一个生产者-消费者模式的任务队列，相比 Java, c++简洁了很多。

channel 可以天然的实现了下面四个特性：

• goroutine 安全
• 在不同的 goroutine 之间存储和传输值 – 提供 FIFO 语义 (buffered channel 提供）
• 可以让 goroutine block/unblock

那么 channel 是怎么实现这些特性的呢？下面我们看看当我们调用 make 来生成一个 channel 的时候都做了些什么。

make chan

上述任务队列的例子第三行，使用 make 创建了一个长度为 3 的带缓冲的 channel，channel 在底层是一个 hchan 结构体，位于 src/runtime/chan.go 里。

其定义如下：

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  
}  

make 函数在创建 channel 的时候会在该进程的 heap 区申请一块内存，创建一个 hchan 结构体，返回执行该内存的指针，所以获取的的 ch 变量本身就是一个指针，在函数之间传递的时候是同一个 channel。

hchan 结构体使用一个环形队列来保存 groutine 之间传递的数据（如果是缓存 channel 的话），使用**两个 list **保存像该 chan 发送和从该 chan 接收数据的 goroutine，还有一个 mutex 来保证操作这些结构的安全。

发送和接收

向 channel 发送和从 channel 接收数据主要涉及 hchan 里的四个成员变量，借用 Kavya ppt 里的图示，来分析发送和接收的过程。

还是以前面的任务队列为例：

//G1  
func main(){  
    ...  

    for _, task := range hellaTasks {  
        ch <- task    //sender  
    }  

    ...  
}  

//G2  
func worker(ch chan Task){  
    for {  
       //接受任务  
       task := <- ch  //recevier  
       process(task)  
    }  
}  

其中 G1 是发送者，G2 是接收，因为 ch 是长度为 3 的带缓冲 channel，初始的时候 hchan 结构体的 buf 为空，sendx 和 recvx 都为 0，当 G1 向 ch 里发送数据的时候，会首先对 buf 加锁，然后将要发送的数据 copy 到 buf 里，并增加 sendx 的值，最后释放 buf 的锁。然后 G2 消费的时候首先对 buf 加锁，然后将 buf 里的数据 copy 到 task 变量对应的内存里，增加 recvx，最后释放锁。整个过程，G1 和 G2 没有共享的内存，底层通过 hchan 结构体的 buf，使用 copy 内存的方式进行通信，最后达到了共享内存的目的，这完全符合 CSP 的设计理念

Do not comminute by sharing memory;instead, share memory by communicating

一般情况下，G2 的消费速度应该是慢于 G1 的，所以 buf 的数据会越来越多，这个时候 G1 再向 ch 里发送数据，这个时候 G1 就会阻塞，那么阻塞到底是发生了什么呢？

Goroutine Pause/Resume

goroutine 是 Golang 实现的用户空间的轻量级的线程，有 runtime 调度器调度，与操作系统的 thread 有多对一的关系，相关的数据结构如下图：

其中 M 是操作系统的线程，G 是用户启动的 goroutine，P 是与调度相关的 context，每个 M 都拥有一个 P，P 维护了一个能够运行的 goutine 队列，用于该线程执行。

当 G1 向 buf 已经满了的 ch 发送数据的时候，当 runtine 检测到对应的 hchan 的 buf 已经满了，会通知调度器，调度器会将 G1 的状态设置为 waiting, 移除与线程 M 的联系，然后从 P 的 runqueue 中选择一个 goroutine 在线程 M 中执行，此时 G1 就是阻塞状态，但是不是操作系统的线程阻塞，所以这个时候只用消耗少量的资源。

那么 G1 设置为 waiting 状态后去哪了？怎们去 resume 呢？我们再回到 hchan 结构体，注意到 hchan 有个 sendq 的成员，其类型是 waitq，查看源码如下：

type hchan struct {   
    ...   
    recvq waitq // list of recv waiters   
    sendq waitq // list of send waiters   
    ...   
}   
//   
type waitq struct {   
    first *sudog   
    last *sudog   
}   

实际上，当 G1 变为 waiting 状态后，会创建一个代表自己的 sudog 的结构，然后放到 sendq 这个 list 中，sudog 结构中保存了 channel 相关的变量的指针（如果该 Goroutine 是 sender，那么保存的是待发送数据的变量的地址，如果是 receiver 则为接收数据的变量的地址，之所以是地址，前面我们提到在传输数据的时候使用的是 copy 的方式）

当 G2 从 ch 中接收一个数据时，会通知调度器，设置 G1 的状态为 runnable，然后将加入 P 的 runqueue 里，等待线程执行。

wait empty channel

前面我们是假设 G1 先运行，如果 G2 先运行会怎么样呢？如果 G2 先运行，那么 G2 会从一个 empty 的 channel 里取数据，这个时候 G2 就会阻塞，和前面介绍的 G1 阻塞一样，G2 也会创建一个 sudog 结构体，保存接收数据的变量的地址，但是该 sudog 结构体是放到了 recvq 列表里，当 G1 向 ch 发送数据的时候，runtime 并没有对 hchan 结构体题的 buf 进行加锁，而是直接将 G1 里的发送到 ch 的数据 copy 到了 G2 sudog 里对应的 elem 指向的内存地址！

总结：

Golang 的一大特色就是其简单高效的天然并发机制，使用 goroutine 和 channel 实现了 CSP 模型。

理解 channel 的底层运行机制对灵活运用 golang 开发并发程序有很大的帮助，看了 Kavya 的分享，然后结合 golang runtime 相关的源码（源码开源并且也是 golang 实现简直良心！), 对 channel 的认识更加的深刻，当然还有一些地方存在一些疑问，比如 goroutine 的调度实现相关的，还是要潜心膜拜大神们的源码！

到此这篇关于深入理解Golang Channel 的底层结构的文章就介绍到这了,更多相关深入理解Golang Channel 结构内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们！