通俗易懂剖析Go Channel：理解并发通信的核心机制

本文来自 Go就业训练营 小韬同学的投稿。

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正文

我们在学习与使用Go语言的过程中，对channel并不陌生，channel是Go语言与众不同的特性之一，也是非常重要的一环，深入理解Channel，相信能够在使用的时候更加的得心应手。

一、Channel基本用法

1、channel类别

channel在类型上，可以分为两种：
+ 双向channel：既能接收又能发送的channel
+ 单向channel：只能发送或只能接收的channel，即单向channel可以为分为：
    + 只写channel
    + 只读channel

声明并初始化如下如下：

func main() {  
    // 声明并初始化  
    var ch chan string = make(chan string) // 双向channel  
    var readCh <-chan string = make(<-chan string) // 只读channel  
    var writeCh chan<- string = make(chan<- string) // 只写channel  
}  

上述定义中，<-表示单向的channel。如果箭头指向chan，就表示只写channel，可以往chan里边写入数据；如果箭头远离chan，则表示为只读channel，可以从chan读数据。

在定义channel时，可以定义任意类型的channel，因此也同样可以定义chan类型的channel。例如：

a := make(chan<- chan int)   // 定义类型为 chan int 的写channel  
b := make(chan<- <-chan int) // 定义类型为 <-chan int 的写channel  
c := make(<-chan <-chan int) // 定义类型为 <-chan int 的读channel  
d := make(chan (<-chan int)) // 定义类型为 (<-chan int) 的读channel  

当channel未初始化时，其零值为nil。nil 是 chan 的零值，是一种特殊的 chan，对值是 nil 的 chan 的发送接收调用者总是会阻塞。

func main() {  
    var ch chan string  
    fmt.Println(ch) // <nil>  
}  

通过make我们可以初始化一个channel，并且可以设置其容量的大小，如下初始化了一个类型为string，其容量大小为512的channel：

var ch chan string = make(chan string, 512)  

当初始化定义了channel的容量，则这样的channel叫做buffered chan，即有缓冲channel。如果没有设置容量，channel的容量为0，这样的channel叫做unbuffered chan，即无缓冲channel。

有缓冲channel中，如果channel中还有数据，则从这个channel接收数据时不会被阻塞。如果channel的容量还未满，那么向这个channel发送数据也不会被阻塞，反之则会被阻塞。

无缓冲channel则只有当读写操作都准备好后，才不会阻塞，这也是unbuffered chan在使用过程中非常需要注意的一点，否则可能会出现常见的bug。

channel的常见操作：

1. 发送数据

往channel发送一个数据使用ch <-

func main() {  
    var ch chan int = make(chan int, 512)  
    ch <- 2000  
}  

上述的ch可以是chan int类型，也可以是单向chan <-int。

2. 接收数据

从channel接收一条数据可以使用<-ch

func main() {  
    var ch chan int = make(chan int, 512)  
    ch <- 2000 // 发送数据  
  
    data := <-ch // 接收数据  
    fmt.Println(data) // 2000  
}  

ch 类型是 chan T，也可以是单向<-chan T

在接收数据时，可以返回两个返回值。第一个返回值返回channel中的元素，第二个返回值为bool类型，表示是否成功地从channel中读取到一个值。

如果第二个参数是false，则表示channel已经被close而且channel中没有缓存的数据，这个时候第一个值返回的是零值。

func main() {  
    var ch chan int = make(chan int, 512)  
    ch <- 2000 // 发送数据  
  
    data1, ok1 := <-ch // 接收数据  
    fmt.Printf("data1 = %d, ok1 = %t\n", data1, ok1) // data1 = 2000, ok1 = true  
    close(ch)  // 关闭channel  
    data2, ok2 := <-ch  // 接收数据  
    fmt.Printf("data2 = %d, ok2 = %t", data2, ok2) // data2 = 0, ok2 = false  
}  

所以，如果从channel读取到一个零值，可能是发送操作真正发送的零值，也可能是closed关闭channel并且channel没有缓存元素产生的零值，这是需要注意判别的一个点。

3. 其他操作

Go内建的函数close、cap、len都可以对chan类型进行操作。
+ close：关闭channel。
+ cap：返回channel的容量。
+ len：返回channel缓存中还未被取走的元素数量。

func main() {  
    var ch chan int = make(chan int, 512)  
    ch <- 100  
    ch <- 200  
    fmt.Println("ch len:", len(ch)) // ch len: 2  
    fmt.Println("ch cap:", cap(ch)) // ch cap: 512  
}  

发送操作与接收操作可以作为select语句中的case clause，例如：

func main() {  
    var ch = make(chan int, 512)  
    for i := 0; i < 10; i++ {  
       select {  
       case ch <- i:  
       case v := <-ch:  
          fmt.Println(v)  
       }  
    }  
}  

for-range语句同样可以在chan中使用，例如：

func main() {  
    var ch = make(chan int, 512)  
    ch <- 100  
    ch <- 200  
    ch <- 300  
    for v := range ch {  
       fmt.Println(v)  
    }  
}  
  
// 执行结果  
100  
200  
300  

2、select介绍

在Go语言中，select语句用于监控一组case语句，根据特定的条件执行相对应的case语句或default语句，与switch类似，但不同之处在于select语句中所有case中的表达式都必须是channel的发送或接收操作。select使用示例代码如下：

select {  
case <-ch1:  
    fmt.Println("ch1")  
case ch2 <- 1:  
    fmt.Println("ch2")  
}  

上述代码中，select关键字让当前goroutine同时等待ch1 的可读和ch2的可写，在满足任意一个case分支之前，select 会一直阻塞下去，直到其中的一个 channel 转为就绪状态时执行对应case分支的代码。如果多个channel同时就绪的话则随机选择一个case执行。

当使用空select时，空的 select 语句会直接阻塞当前的goroutine，使得该goroutine进入无法被唤醒的永久休眠状态。空select，即select内不包含任何case。

select{  
    
}  

另外当select语句内只有一个case分支时，如果该case分支不满足，那么当前select就变成了一个阻塞的channel读/写操作。

select {  
case <-ch1:  
    fmt.Println("ch1")  
}  

上述select中，当ch1可读时，会执行打印操作，反之则阻塞当前goroutine。

当select语句内包含default分支时，如果select内的所有case都不满足，则会执行default分支的逻辑，用于当其他case都不满足时执行一些默认操作。

select {  
case <-ch1:  
    fmt.Println("ch1")  
case ch2 <- 1:  
    fmt.Println("ch2")  
default:  
    fmt.Println("default")  
}  

上述代码中，当ch1可读或ch2可写时，会执行相应的打印操作，否则就执行default语句中的代码，相当于一个非阻塞的channel读取操作。

select的使用可以总结为：

+ select不存在任何的case且没有default分支：永久阻塞当前 goroutine；
+ select只存在一个case且没有default分支：阻塞的发送/接收；
+ select存在多个case：随机选择一个满足条件的case执行；
+ select存在default，其他case都不满足时：执行default语句中的代码；

二、Channel实现原理

从代码的角度剖析channel的实现，能够让我们更好的去使用channel。

我们可以从chan类型的数据结构、初始化以及三个操作发送、接收和关闭这几个方面来了解channel。

1、chan数据结构

chan类型的数据结构定义位于runtime.hchan，其结构体定义如下：

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  
}  

解释一下上述各个字段的意义：

+ qcount：表示chan中已经接收到的数据且还未被取走的元素个数。内建函数len可以返回这个字段的值。
+ datasiz：循环队列的大小。chan在实现上使用一个循环队列来存放元素的个数，循环队列适用于生产者-消费者的场景。
+ buf：存放元素的循环队列buffer，buf 字段是一个指向队列缓冲区的指针，即指向一个dataqsiz元素的数组。buf 字段是使用 unsafe.Pointer 类型来表示队列缓冲区的起始地址。unsafe.Pointer是一种特殊的指针类型，它可以用于指向任何类型的数据。由于队列缓冲区的类型是动态分配的，所以不能直接使用某个具体类型的指针来表示。
+ elemtype、elemsize：elemtype表示chan中元素的数据类型，elemsize表示其大小。当chan定义后，它的元素类型是固定的，即普通类型或者指针类型，因此元素大小也是固定的。
+ sendx：处理发送数据操作的指针在buf队列中的位置。当channel接收到了新的数据时，该指针就会加上elemsize，移动到下一个位置。buf 的总大小是elemsize的整数倍且buf是一个循环列表。
+ recvx：处理接收数据操作的指针在buf队列中的位置。当从buf中取出数据，此指针会移动到下一个位置。
+ recvq：当接收操作发现channel中没有数据可读时，会被则色，此时会被加入到recvq队列中。
+ sendq：当发送操作发现buf队列已满时，会被进行阻塞，此时会被加入到sendq队列中。

<p align=center><img src="https://p9-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/ddc1b911e2ac40b9ad73bff9647e4dc0~tplv-k3u1fbpfcp-jj-mark:0:0:0:0:q75.image#?w=395&h=524&s=37043&e=png&b=fbf7f6" alt="image.png"  /></p>

2、chan初始化

channel在进行初始化时，Go编译器会根据是否传入容量的大小，来选择调用makechan64，还是makechan。makechan64在实现上底层还是调用makechan来进行初始化，makechan64只是对size做了检查。

makechan函数根据chan的容量的大小和元素的类型不同，初始化不同的存储空间。省略一些检查代码，makechan函数的主要逻辑如下：

func makechan(t *chantype, size int) *hchan {  
    elem := t.elem  
      
    ...  
  
    mem, overflow := math.MulUintptr(elem.size, uintptr(size))  
      
    ...  
      
    var c *hchan  
    switch {  
    case mem == 0:  
       // 队列或元素大小为零，不必创建buf  
       c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true))  
       c.buf = c.raceaddr()  
    case elem.ptrdata == 0:  
       // 元素不包含指针，分配一块连续的内存给hchan数据结构和buf  
       // hchan数据结构后面紧接着就是buf，在一次调用中分配hchan和buf  
       c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true))  
       c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)  
    default:  
       // 元素包含指针，单独分配buf  
       c = new(hchan)  
       c.buf = mallocgc(mem, elem, true)  
    }  
  
    // 记录元素大小、类型、容量  
    c.elemsize = uint16(elem.size)  
    c.elemtype = elem  
    c.dataqsiz = uint(size)  
    lockInit(&c.lock, lockRankHchan)  
      
    ...  
      
    return c  
}  

3、send发送操作

Go在编译发送数据给channel时，会把发送操作send转换成chansend1函数，而chansend1函数会调用chansend函数。

func chansend1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {  
    chansend(c, elem, true, getcallerpc())  
}  

我们可以来分段分析chansend函数的实现逻辑。

第一部分:

主要是对chan进行判断，判断chan是否为nil，若为nil，则判断是否需要将当前goroutine进行阻塞，阻塞通过gopark来对调用者goroutine park(阻塞休眠)。

func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {  
    // 第一部分  
    if c == nil { // 判断chan是否为nil  
       if !block { // 判断是否需要阻塞当前goroutine  
          return false  
       }  
       // 调用这goroutine park，进行阻塞休眠  
       gopark(nil, nil, waitReasonChanSendNilChan, traceEvGoStop, 2)  
       throw("unreachable")  
    }  
      
    ...  
}  

第二部分

第二部分的逻辑判断是当你往一个容量已满的chan实例发送数据，且不想当前调用的goroutine被阻塞时（chan未被关闭），那么处理的逻辑是直接返回。

func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {  
    ...  
    // 第二部分  
    if !block && c.closed == 0 && full(c) {  
        return false  
    }  
    ...  
}  

第三部分

第三部分的逻辑判断是首先进行互斥锁加锁，然后判断当前chan是否关闭，如果chan已经被close了，则释放互斥锁并panic，即对已关闭的chan发送数据会panic。

func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {  
    ...  
    // 第三部分  
    lock(&c.lock) // 开始加锁  
  
    if c.closed != 0 { // 判断channel是否关闭  
        unlock(&c.lock)  
        panic(plainError("send on closed channel"))  
    }  
    ...  
}  

第四部分

第四部分的逻辑主要是判断接收队列中是否有正在等待的接收方receiver。如果存在正在等待的receiver（说明此时buf中没有缓存的数据），则将他从接收队列中弹出，直接将需要发送到channel的数据交给这个receiver，而无需放入到buf中，让发送操作速度更快一些。

func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {  
    ...  
      
    // 第四部分  
    if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {  
       // 找到了一个正在等待的接收者。我们传递我们想要发送的值  
       // 直接传递给receiver接收者，绕过channel buf缓存区(如果receiver有的话)  
       send(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)  
       return true  
    }  
  
    ...  
}  

第五部分

当等待队列中并没有正在等待的receiver，则说明当前buf还没有满，此时将发送的数据放入到buf中。

func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {  
    ...  
      
    // 第五部分  
    if c.qcount < c.dataqsiz { // 判断buf是否满了  
       // channel buf还有可用的空间. 将发送数据入buf循环队列.  
       qp := chanbuf(c, c.sendx)  
       if raceenabled {  
          racenotify(c, c.sendx, nil)  
       }  
       typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)  
       c.sendx++  
       if c.sendx == c.dataqsiz {  
          c.sendx = 0  
       }  
       c.qcount++  
       unlock(&c.lock)  
       return true  
    }  
      
    ...  
}  

第六部分

当逻辑走到第六部分，说明正在处理buf已满的情况。如果buf已满，则发送操作的goroutine就会加入到发送者的等待队列，直到被唤醒。当goroutine被唤醒时，数据或者被取走了，或者chan已经被关闭了。

func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {  
    ...  
    // 第六部分  
      
    // chansend1函数调用不会进入if块里，因为chansend1的block=true  
    if !block {  
       unlock(&c.lock)  
       return false  
    }  
      
    ...  
      
    c.sendq.enqueue(mysg) // 加入发送队列  
      
    ...  
      
    gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanSend, traceEvGoBlockSend, 2) // 阻塞  
      
    ...  
}  

4、recv接收操作

从channel中接收数据时，Go会将代码转换成chanrecv1函数。如果需要返回两个返回值，则会转换成chanrecv2，chanrecv1函数和chanrecv2都会调用chanrecv函数。chanrecv1和chanrecv2传入的 block参数的值是true，两种调用都是阻塞方式，因此在分析chanrecv函数的实现时，可以不考虑 block=false的情况。

// 从已编译代码中进入 <-c 的入口点  
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  
}  

同样，省略一些检查类的代码，我们也可以分段分析chanrecv函数的逻辑。

第一部分

第一部分主要判断当前进行接收操作的chan实例是否为nil，若为nil，则从nil chan中接收数据的调用这goroutine会被阻塞。

func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {  
    ...  
    // 第一部分  
    if c == nil { // 判断chan是否为nil  
       if !block { // 是否阻塞，默认为block=true  
          return  
       }  
       // 进行阻塞  
       gopark(nil, nil, waitReasonChanReceiveNilChan, traceEvGoStop, 2)  
       throw("unreachable")  
    }  
    ...  
}  

第二部分
这一部分只要是考虑block=false且c为空的情况，block=false的情况我们可以不做考虑。

func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {  
    ...  
    // 检查未获得锁的失败非阻塞操作。  
    if !block && empty(c) {  
        ...  
    }  
    ...  
}  

第三部分

第三部分的逻辑为判断当前chan是否被关闭，若当前chan已经被close了，并且缓存队列中没有缓冲的元素时，返回true、false。

func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {  
  
    ...  
     
    lock(&c.lock) // 加锁，返回时释放锁  
      
    // 第三部分  
    if c.closed != 0 { // 当chan已被关闭时  
        if c.qcount == 0 { // 且 buf区 没有缓存的数据了  
              
            ...  
              
            unlock(&c.lock) // 解锁  
            if ep != nil {  
               typedmemclr(c.elemtype, ep)  
            }  
            return true, false  
        }  
    }   
    ...  
}  

第四部分

第四部分是处理通道未关闭且buf缓存队列已满的情况。只有当缓存队列已满时，才能够从发送等待队列获取到sender。若当前的chan为unbuffer的chan，即无缓冲区channel时，则直接将sender的发送数据传递给receiver。否则就从缓存队列的头部读取一个元素值，并将获取的sender携带的值加入到buf循环队列的尾部。

func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {  
    ...  
    if c.closed != 0 { // 当chan已被关闭时  
      
    } else { // 第四部分，通道未关闭  
       // 如果sendq队列中有等待发送的sender  
       if sg := c.sendq.dequeue(); sg != nil {  
          // 存在正在等待的sender，如果缓存区的容量为0则直接将发送方的值传递给接收方  
          // 反之，则从缓存队列的头部获取数据，并将获取的sender的发送值加入到缓存队列尾部  
          recv(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)  
          return true, true  
       }  
    }  
      
    ...  
}  

第五部分

第五部分的主要逻辑是处理发送队列中没有等待的sender且buf中有缓存的数据。该段逻辑与外出的互斥锁共用一把锁，因此不存在并发问题。当buf缓存区有缓存元素时，则取出该元素传递给receiver，同时移动接收指针。

func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {  
    ...  
      
    // 第五部分  
    if c.qcount > 0 { // 发送队列中没有等待的sender，且buf中有缓存数据  
        // 直接从缓存队列中获取数据  
        qp := chanbuf(c, c.recvx)  
        if raceenabled {  
           racenotify(c, c.recvx, nil)  
        }  
        if ep != nil {  
           typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)  
        }  
        typedmemclr(c.elemtype, qp)  
        c.recvx++ // 移动接收指针  
        if c.recvx == c.dataqsiz { // 指针若已到末尾则进行重置(循环队列)  
           c.recvx = 0  
        }  
        c.qcount-- // 获取数据后，buf缓存区元素个数减一  
        unlock(&c.lock) // 解锁  
        return true, true  
    }  
  
    if !block { // block=true  
        unlock(&c.lock)  
        return false, false  
    }  
    ...  
}  

第六部分

第六部分的逻辑主要是处理buf缓存区中没有缓存数据的情况。当buf缓存区没有缓存数据时，那么当前的receiver就会被阻塞，直到它从sender中接收了数据，或者是chan被close，才会返回。

func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {  
    ...  
    c.recvq.enqueue(mysg) // 将当前接收操作入接收队列  
      
    ...  
      
    // 进行阻塞，等待唤醒  
    gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanReceive, traceEvGoBlockRecv, 2)  
    ...  
}  

5、close关闭

close函数主要用于channel的关闭，Go编译器会替换成closechan函数的调用。省略一些检查下的代码后，closechan函数的主要逻辑如下：
+ 如果当前chan为nil，则直接panic
+ 如果当前chan已关闭，再次close则直接panic
+ 如果chan不为nil，chan也没有closed，就把等待队列中的 sender（writer）和 receiver（reader）从队列中全部移除并唤醒。

func closechan(c *hchan) {  
    if c == nil { // 若当前chan未nil，则直接panic  
       panic(plainError("close of nil channel"))  
    }  
  
    lock(&c.lock) // 加锁  
      
    if c.closed != 0 { // 若当前chan已经关闭，则直接panic  
       unlock(&c.lock)  
       panic(plainError("close of closed channel"))  
    }  
      
    ...  
  
    c.closed = 1 // 设置当前channel的状态为已关闭  
  
    var glist gList  
  
    // 释放接收队列中所有的reader  
    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 = unsafe.Pointer(sg)  
       sg.success = false  
       if raceenabled {  
          raceacquireg(gp, c.raceaddr())  
       }  
       glist.push(gp)  
    }  
  
    // 释放发送队列中所有的writer (它们会panic)  
    for {  
       sg := c.sendq.dequeue()  
       if sg == nil {  
          break  
       }  
       sg.elem = nil  
       if sg.releasetime != 0 {  
          sg.releasetime = cputicks()  
       }  
       gp := sg.g  
       gp.param = unsafe.Pointer(sg)  
       sg.success = false  
       if raceenabled {  
          raceacquireg(gp, c.raceaddr())  
       }  
       glist.push(gp)  
    }  
    unlock(&c.lock)  
  
    for !glist.empty() {  
       gp := glist.pop()  
       gp.schedlink = 0  
       goready(gp, 3)  
    }  
}  

三、总结

通过学习channel的基本使用，了解其操作背后的实现原理，可以帮助我们更好的使用channel，避免一些操作不当而导致的panic或者说是bug，让我们在使用channel时能够更加的得心应手。

channel的值和状态有多种情况，而不同的操作（send、recv、close）又可能得到不同的结果，这是使用 channel 类型时需要经常注意的点，我们可以将不同channel值下的不同操作进行一个总结，特别注意操作channel时会产生panic的情况，已经可能会导致线程阻塞的情况，都是有可能导致死锁与goroutine泄漏的罪魁祸首。

| channel执行操作\channel状态 | channel为nil | channel buf为空                | channel buf已满               | channel buf未满且不为空       | channel已关闭       |
| --------------------------- | ------------ | ------------------------------ | ----------------------------- | ----------------------------- | ------------------- |
| receive接收操作           | 阻塞         | 阻塞                           | 读取数据                      | 读取数据                      | 返回buf中缓存的数据 |
| send发送操作              | 阻塞         | 写入数据                       | 阻塞                          | 写入数据                      | panic           |
| close关闭                 | panic    | 关闭channel，buf中没有缓存数据 | 关闭channel，保留已缓存的数据 | 关闭channel，保留已缓存的数据 | panic

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