【Go基础篇】彻底搞懂 Channel 实现原理

最近大家私信我让我说说 Go 语言中的 Channel，年末了，有的人已经开始准备面试，真快呀！今天我们就来说说 Channel吗，日常开发中使用也是比较频繁的，面试也是高频。听我慢慢说来。

Channel （通道） 是 Go 语言高性能并发编程中的核心数据结构和与 Goroutine 之前重要的通信方式。在 Go 语言中通道是一种特殊的类型。通道像一个传送带或者队列，遵循先入先出（First In First Out）的规则，保证收发数据的顺序。

1. 应用场景

在很多主流的编程语言中，多个线程间基本上都是通过共享内存来实现通信的，如Java。这类语言往往都需要限制一定的线程数量从而解决线程竞争。用图的方式简单表达一下。

Go 语言的设计却截然不同，在 Go 语言提供了一种新的并发模型，在 Goroutine 中使用 Channel 传递数据，从而实现通信。

Go 语言提倡 “不要通过共享内存的方式进行通信，而是通过 Channel 通信的方式共享内存”。

Don’t communicate by sharing memory, share memory by communicating

我们会结合 chanal 使用场景的 5 大类型来阐述，更好的了解 Channel。

• 数据交流
• 数据传递
• 信号通知
• 任务编排
• 锁

接下来学一下一下 chanel 的常见用法。

2. 常见用法

我们一开始就说 Go 语言是通过通信来实现共享内存的，故我们可以从 channel 中接受数据，也能发送数据。下文中会简称 channek 为 chan。我们将从一下三种情况展开说下

• 仅接送数据
• 仅发送数据
• 既能接受也能发送数据

chan int        // 可以发送和接收 int 数据
chan <- struct{}   // 只能发送 struct{}
<-chan string           // 只能从 chan 接收 string 数据

声明的通道类型变量需要使用内置的 make 函数初始化之后才能使用。格式如下：

make(chan 元素类型, [缓冲区大小])

make(chan int) // 无缓冲通道
make(chan int, 1024) // 有缓冲通道

记住 Go 语言中 chan 没有类型的限制，其中 chan 的缓冲大小是可选的，未初始化的是一个 nil 值。

• 指定缓冲区的大小，我们称其为 “ 缓冲通道” 。
• 未指定了缓冲区的大小，我们称其为 “ 无缓冲通道” 又称为阻塞的通道。

无缓冲通道

无缓冲的通道又称为阻塞的通道，如上方第 3 行代码，无缓冲的通道只有在有接收方能够接收值的时候才能发送成功，否则会一直处于等待发送的阶段。同理，如果对一个无缓冲通道执行接收操作时，没有任何向通道中发送值的操作那么也会导致接收操作阻塞。

缓冲通道

当制定了缓冲区的大小，初始化如上方第 4 行代码。若 chan 中有数据时，此时从 chan 中接收数据不会发生阻塞；若 chan 未满时，此时发送数据也不会发生阻塞，反之就会出现阻塞。

接下来说下 Channel 的基本用法。

2.1 发送数据

将一个值发送到通道（chan） 中：

chan <- 1024 // 将1024 发到 chan 中

2.2 接收数据

从一个通道（chan） 中接收值：

x := <- ch // 从ch中接收值并赋值给变量x

<-ch // 从ch中接收值，并丢弃

2.3 关闭通道

我们通过内置函数 close 函数来关闭通道：

close(chan)

2.4 其他操作

Go 一些内置的函数都可以操作 chan 类型。比如 len、cap

• len 可以返回 chan 中还未被处理的元素数量
• cap 可以返回 chan 的容量

注： 目前 Go 语言中并没有提供一个不对通道进行读取操作就能判断通道 chan 是否被关闭的方法。不能简单的通过 len(ch) 操作来判断通道 chan 是否被关闭。

用 for range 接收值：

func f(ch chan int) {
    for v := range ch {
        fmt.Println("接收到 chan 值：", v)
    }
}

还有 send 和 recv 可以作为 select 语句的 case：

var ch = make(chan int, 6)
for i := 0; i < 6; i++ {
    select {
    case ch <- i:
    case v := <-ch:
        fmt.Println(v)
    }
}

下面我说下源码的角度分析一下 chan 的具体实现，掌握了原理，我们才能真正地用好它，才能在谈高薪是有底气！

3. 实现原理

3.1 chan 数据结构

Go 语言的 Channel 在运行时使用 runtime.hchan 结构体表示。我们在 Go 语言中创建新的 Channel 时，实际上创建的都是如下所示的结构：

type hchan struct {
    qcount   uint              // 循环队列元素的数量
    dataqsiz uint             // 循环队列的大小
    buf      unsafe.Pointer // 循环队列缓冲区的数据指针
    elemsize uint16            // chan中元素的大小
    closed   uint32            // 是否已close
    elemtype *_type            // chan 中元素类型
    sendx    uint            // send 发送操作在 buf 中的位置
    recvx    uint            // recv 接收操作在 buf 中的位置
    recvq    waitq            // receiver的等待队列
    sendq    waitq            // senderl的等待队列

    lock mutex                // 互斥锁，保护所有字段
}

runtime.hchan 结构体中的五个字段 qcount、dataqsiz、buf、sendx、recv 构建底层的循环队列 （channel）。解释一下上面的字段含义：

• qcount：代表循环队列 chan 中已经接收但还没被取走的元素的个数。
• datagsiz 循环队列 chan 的大小。选用了一个循环队列来存放元素，类似于队列的生产者 - 消费者场景
• buf：存放元素的循环队列的 buffer。
• elemtype 和 elemsize：循环队列 chan 中元素的类型和 size。chan 一旦声明，它的元素类型是固定的，即普通类型或者指针类型，元素大小自然也就固定了。
• sendx：处理发送数据的指针在 buf 中的位置。一旦接收了新的数据，指针就会加上 elemsize，移向下一个位置。buf 的总大小是 elemsize 的整数倍，而且 buf 是一个循环列表。
• recvx：处理接收请求时的指针在 buf 中的位置。一旦取出数据，指针会移动到下一个位置。
• recvq：chan 是多生产者多消费者的模式，如果消费者因为没有数据可读而被阻塞了，就会被加入到 recvq 队列中。
• sendq：如果生产者因为 buf 满了而阻塞，会被加入到 sendq 队列中。

3.2 发送数据（send）

我们接下来继续介绍 chan 的接收数据。Go 语言中可以使用 ch <- i 向 chan 中发送数据。

我们看下 chansend 源码，Go 编译器在向 chan 发送数据时，会将 send 转换成 chansend1 函数。如下：

chansend1 中调用 chansend 并传入 channel 和需要发送的数据。一开始会判断当前 chan 是否为 nil ，是 nil 会阻塞调用者 gopark。我们会发现第 11 行是不会被程序执行的。

当 chan 关闭了，此时发送数据会造成 panic 错误。

如果 chan 没有被关闭并且等待队列中已经有处于读等待的 Goroutine，那么会从接收队列 recvq 中取出最先陷入等待的 Goroutine 并直接向它发送数据。

如果创建的 chan 包含缓冲区（chanbuf）并且 chan 中的数据没有装满，会执行下面这段代码：

在这里我们首先会使用缓冲区中计算出下一个可以存储数据的位置，然后通过 typedmemmove 将发送的数据拷贝到缓冲区中并增加 sendx 索引和 qcount 计数器。

3.3 接收数据（recv）

接下来继续介绍 chan 的接收数据。Go 语言中可以使用两种不同的方式去接收 chan 中的数据：

i <- ch
i, ok <- ch

从 chan 中接收数据会被转换成 chanrecv1 和 chanrecv2 两种函数，但是最后还是会调用 chanrecv。

可以看到 chanrecv1 和 chanrecv2 中调用 chanrecv 时 block 的值都是 true，在 chanrecv 中 chan 为 nil ，我们从 nil 的 chan 中接收数据，调用者会被阻塞主 goroutine park，和发送一样，第 15 行也不会被执行。

当缓冲区中没有数据且当前的 chan 已经 close 了，那么会清除 ep 指针中的数据，代码段会返回 true、false。

当缓冲区满了，这个时候，如果是 unbuffer 的 chan，就直接将 sender 的数据复制给 receiver，否则就取出队列头等待的 Goroutine，并把这个 sender 的值加入到队列尾部。

3.4 关闭（close）

Go 语言中关闭一个 chan 用自带的 close 函数，编译器会转成调用 closechan，我们看下源码：

• close 一个 nil 的 chan 会出现 panic；
• close 一个 已经 closed 的 chan，会出现 panic；
• 当 chan 不为 nil 也不为 closed，才能 close 成功，从而把等待队列中的 sender（writer）和 receiver（reader）从队列中全部移除并唤醒。

源码的部分就到这里了，我们接下来说下开发中需要注意的点。

4. 总结

我们开发中，chan 的值或者状态会有很多种情况，此时一定要注意使用方式，一些操作可能会出现 panic。我总结了一下异常场景，如下表：

	nil channel	有值 channel	没值 channel	满 channel
<- ch （发送数据）	阻塞	发送成功	发送成功	阻塞
ch <- （接收数据）	阻塞	接收成功	阻塞	接收成功
close(ch) 关闭channel	panic	关闭成功	关闭成功	关闭成功

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