Go语言channel与select原理

本文会尝试解释 go runtime 中 channel 和 select 的具体实现，部分内容来自 gophercon2017。Go版本为1.8.3

channel

第一部分讲述一下 channel 的用法。channel 可以看做一个队列，用于多个goroutine之间的通信，例如下面的例子，一个goroutine发送msg，另一个msg接受消息。channel 分为带缓冲和不带缓冲，差别不是很大，具体请自行google。看一个简单的例子，了解一下channel的使用。

package main

import "fmt"

func main() {
    // Create a new channel with `make(chan val-type)`.
    // Channels are typed by the values they convey.
    messages := make(chan string)
    // Send a value into a channel using the `channel <-`
    // syntax. Here we send `"ping"`  to the `messages`
    // channel we made above, from a new goroutine.
    go func() { messages <- "ping" }()
    // The `<-channel` syntax receives a value from the
    // channel. Here we'll receive the `"ping"` message
    // we sent above and print it out.
    msg := <-messages
    fmt.Println(msg)
}

channel的功能点：

1. 队列
2. 阻塞
3. 当一端阻塞，可以被另一个端唤醒

我们围绕这3点功能展开，讲讲具体的实现。

channel结构

注释标注了几个重要的变量，从功能上大致可以分为两个功能单元，一个是 ring buffer，用于存数据； 一个是存放 goroutine 的队列。

type hchan struct {
    qcount   uint           // 当前队列中的元素个数
    dataqsiz uint           // 缓冲队列的固定大小
    buf      unsafe.Pointer // 缓冲数组
    elemsize uint16
    closed   uint32
    elemtype *_type // element type
    sendx    uint   // 下一次发送的 index
    recvx    uint   // 下一次接收的 index
    recvq    waitq  // 接受者队列
    sendq    waitq  // 发送者队列

    // 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
}

Ring Buffer

主要是以下变量组成的功能, 一个 buf 存储实际数据，两个指针分别代表发送，接收的索引位置，配合 size, count 在数组大小范围内来回滑动。

qcount   uint           // 当前队列中的元素个数
dataqsiz uint           // 缓冲队列的固定大小
buf      unsafe.Pointer // 缓冲数组
sendx    uint   // 下一次发送的 index
recvx    uint   // 下一次接收的 index

举个例子，假设我们初始化了一个带缓冲的channel, ch := make(chan int, 3)， 那么它初始状态的值为:

qcount   = 0
dataqsiz = 3
buf      = [3]int{0， 0， 0} // 表示长度为3的数组
sendx    = 0
recvx    = 0

第一步，向 channel 里 send 一个值， ch <- 1, 因为现在缓冲还没满，所以操作后状态如下:

qcount   = 1
dataqsiz = 3
buf      = [3]int{1， 0， 0} // 表示长度为3的数组
sendx    = 1
recvx    = 0

快进两部，连续向 channel 里 send 两个值 (2, 3)，状态如下：

qcount   = 3
dataqsiz = 3
buf      = [3]int{1， 2， 3} // 表示长度为3的数组
sendx    = 0 // 下一个发送的 index 回到了0
recvx    = 0

从 channel 中 receive 一个值， <- ch, 状态如下:

qcount   = 2
dataqsiz = 3
buf      = [3]int{1， 2， 3} // 表示长度为3的数组
sendx    = 0 // 下一个发送的 index 回到了0
recvx    = 1 // 下一个接收的 index

阻塞

我们看下，如果 receive channel 时，channel 的 buffer中没有数据是怎么处理的。逻辑在 chanrecv 这个方法中，它的大致流程如下，仅保留了阻塞操作的代码。

func chanrecv(t *chantype, c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
    // 检查 channdel 是否为 nil
    
    // 当不阻塞时，检查buffer大小，当前大小，检查chennel是否关闭，看看是否能直接返回

    // 检查发送端是否有等待的goroutine，下部分会提到

    // 当前buffer中有数据，则尝试取出。
    
    // 如果非阻塞，直接返回

    // 没有sender等待，buffer中没有数据，则阻塞等待。
    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
    gp.waiting = mysg
    mysg.g = gp
    mysg.selectdone = nil
    mysg.c = c
    gp.param = nil
    c.recvq.enqueue(mysg)
    //关键操作：设置 goroutine 状态为 waiting, 把 G 和 M 分离
    goparkunlock(&c.lock, "chan receive", traceEvGoBlockRecv, 3)

    // someone woke us up
    // 被唤醒，清理 sudog
    if mysg != gp.waiting {
        throw("G waiting list is corrupted")
    }
    gp.waiting = nil
    if mysg.releasetime > 0 {
        blockevent(mysg.releasetime-t0, 2)
    }
    closed := gp.param == nil
    gp.param = nil
    mysg.c = nil
    releaseSudog(mysg)
    return true, !closed
}

这里的操作就是 创建一个 当前 goroutine 的 sudog, 然后把这个 sudog 放入 channel 的接受者等待队列；设置当前 G 的状态，和 M分离，到这里当前G就阻塞了，代码不会执行下去。
当被唤醒后，执行sudog的清理操作。这里接受buffer中的值的指针是 ep 这个变量，被唤醒后好像没有向 ep 中赋值的操作。这个我们下部分会讲。

sudog

还剩最后一个疑问，当一个goroutine因为channel阻塞，另一个goroutine是如何唤醒它的。

channel 中有两个 waitq 类型的变量, 看下结构发现，就是sudog的链表，关键是 sudog。sudog中包含了goroutine的引用，注意一下 elem这个变量，注释说可能会指向stack。

type waitq struct {
    first *sudog
    last  *sudog
}

type sudog struct {
    // The following fields are protected by the hchan.lock of the
    // channel this sudog is blocking on. shrinkstack depends on
    // this.
    g          *g
    selectdone *uint32 // CAS to 1 to win select race (may point to stack)
    next       *sudog
    prev       *sudog
    elem       unsafe.Pointer // data element (may point to stack)

    // The following fields are never accessed concurrently.
    // waitlink is only accessed by g.

    acquiretime int64
    releasetime int64
    ticket      uint32
    waitlink    *sudog // g.waiting list
    c           *hchan // channel
}

讲阻塞部分的时候，我们看到goroutine被调度之前，有一个 enqueue操作，这时，当前G的sudog已经被存入recvq中，我们看下发送者这时的操作。

这里的操作是，sender发送的值 直接被拷贝到 sudog.elem 了。然后唤醒 sudog.g ，这样对面的receiver goroutine 就被唤醒了。具体请下面的注释。

func chansend(t *chantype, c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
    // 检查工作

    // 如果能从 chennel 的 recvq 弹出 sudog, 那么直接send
    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) })
        return true
    }

    // buffer有空余空间，返回； 阻塞操作
}

func send(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func()) {
    // 处理 index

    // 关键
    if sg.elem != nil {
        // 这里是根据 elemtype.size 复制内存
        sendDirect(c.elemtype, sg, ep)
        sg.elem = nil
    }

    // 一些处理

    // 重新设置 goroutine 的状态，唤醒它
    goready(gp, 4)
}

func sendDirect(t *_type, sg *sudog, src unsafe.Pointer) {
    // src is on our stack, dst is a slot on another stack.

    // Once we read sg.elem out of sg, it will no longer
    // be updated if the destination's stack gets copied (shrunk).
    // So make sure that no preemption points can happen between read & use.
    dst := sg.elem
    typeBitsBulkBarrier(t, uintptr(dst), uintptr(src), t.size)
    memmove(dst, src, t.size)
}

// memmove copies n bytes from "from" to "to".
// in memmove_*.s
//go:noescape
func memmove(to, from unsafe.Pointer, n uintptr)

select

在看 chanrecv()方法 时，发现了一个 block 参数，代表操作是否阻塞。一般情况下，channel 都是阻塞的（不考虑buffer），那什么时候非阻塞呢？

第一个想到的就是 select, 在写了default case的时候，其他的channel是非阻塞的。

还有一个可能不常用，就是 channel 的反射 value, 可以是非阻塞的，这个方法是public的，我们先看下简单的。

func (v Value) TryRecv() (x Value, ok bool)
func (v Value) TrySend(x Value) bool

select 就复杂一点点，首先在源码中发现一段注释:

// compiler implements
//
//    select {
//    case c <- v:
//        ... foo
//    default:
//        ... bar
//    }
//
// as
//
//    if selectnbsend(c, v) {
//        ... foo
//    } else {
//        ... bar
//    }
//
func selectnbsend(t *chantype, c *hchan, elem unsafe.Pointer) (selected bool) {
    return chansend(t, c, elem, false, getcallerpc(unsafe.Pointer(&t)))
}

// compiler implements
//
//    select {
//    case v = <-c:
//        ... foo
//    default:
//        ... bar
//    }
//
// as
//
//    if selectnbrecv(&v, c) {
//        ... foo
//    } else {
//        ... bar
//    }
//
func selectnbrecv(t *chantype, elem unsafe.Pointer, c *hchan) (selected bool) {
    selected, _ = chanrecv(t, c, elem, false)
    return
}

如果是一个 case + default 的模式，那么编译器就调用以上方法来实现。

如果是多个 case + default 的模式呢？select 在runtime到底是如何执行的？写个简单的select编译一下。

package main

func main() {
    var ch chan int
    select {
    case <-ch:
    case ch <- 1:
    default:
    }
}

go tool compile -S -l -N test.go > test.s 结果中找一下关键字，例如:

0x008c 00140 (test.go:5)    CALL    runtime.newselect(SB)
0x00ad 00173 (test.go:6)    CALL    runtime.selectrecv(SB)
0x00ec 00236 (test.go:7)    CALL    runtime.selectsend(SB)
0x0107 00263 (test.go:8)    CALL    runtime.selectdefault(SB)
0x0122 00290 (test.go:5)    CALL    runtime.selectgo(SB)

这里 selectgo 是实际运行的方法，找一下，注意注释。先检查channel是否能操作，如果不能操作，就走 default 逻辑。

loop:
    // pass 1 - look for something already waiting
    var dfl *scase
    var cas *scase
    for i := 0; i < int(sel.ncase); i++ {
        cas = &scases[pollorder[i]]
        c = cas.c

        switch cas.kind {
        // 接受数据
        case caseRecv:
            sg = c.sendq.dequeue()
            // 如果有 sender 在等待
            if sg != nil {
                goto recv
            }
            // 当前buffer中有数据
            if c.qcount > 0 {
                goto bufrecv
            }
            // 关闭的channel
            if c.closed != 0 {
                goto rclose
            }
        case caseSend:
            if raceenabled {
                racereadpc(unsafe.Pointer(c), cas.pc, chansendpc)
            }
            // 关闭
            if c.closed != 0 {
                goto sclose
            }
            // 有 receiver 正在等待
            sg = c.recvq.dequeue()
            if sg != nil {
                goto send
            }
            // 有空间接受
            if c.qcount < c.dataqsiz {
                goto bufsend
            }
        // 走default
        case caseDefault:
            dfl = cas
        }
    }

    if dfl != nil {
        selunlock(scases, lockorder)
        cas = dfl
        goto retc
    }