Go channel实现原理

go通道基于 go 的并发调度实现，本身并不复杂，go并发调度请看我的这篇文章：go并发调度原理学习

1.channel数据结构

type hchan struct {
   qcount   uint               // 缓冲区中已有元素个数
   dataqsiz uint               //循环队列容量大小
   buf      unsafe.Pointer // 缓冲区指针
   elemsize uint16          //元素大小
   closed   uint32           //关闭标记，0没关闭，1关闭
   elemtype *_type         //数据项类型
   sendx    uint               //发送索引
   recvx    uint                //接收索引
   recvq    waitq             //等待接收排队链表
   sendq    waitq            //等待发送排队链表
   lock mutex                 //锁
}
type waitq struct {
   first *sudog
   last  *sudog
}

2.创建channel实现

创建channel实例：

ch := make(chan int, 4)

实现函数：

func makechan(t *chantype, size int64) *hchan

大致实现：

执行上面这行代码会new一个hchan结构，同时创建一个dataqsiz=4的int类型的循环队列，其实就是一个容纳4个元素的数组，就是按顺序往里面写数据，写满之后又从0开始写，这个顺序索引就是hchan.sendx

3.发送数据

发送数据实例：

ch <- 100

发送数据实现函数：

func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool

ep指向要发送数据的首地址

func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
   lock(&c.lock)
   if c.closed != 0 {
      unlock(&c.lock)
      panic(plainError("send on closed channel"))
   }
 
   if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {
      //缓冲区就是一个固定长度的循环列表
      //发送队列是一个双向链表，接在缓冲区的后面，整体是一个队列，保证先进先出
      //有接收者，并不是将当前要发送的数据直接发出，而是将缓冲区的第一个元素发送给接收者，同时将发送队列的第一个元素加入缓冲区刚出队列的位置
      send(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
      return true
   }
 
   if c.qcount < c.dataqsiz {
      //缓冲区没有满，直接将要发送的数据复制到缓冲区，直接返回，
      qp := chanbuf(c, c.sendx)
      typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)
      c.sendx++
      if c.sendx == c.dataqsiz {
         c.sendx = 0
      }
      c.qcount++
      unlock(&c.lock)
      return true
   }
 
   if !block {
      unlock(&c.lock)
      return false
   }
   //以上都是同步非阻塞的，ch <- 100直接返回
   
   //以下是同步阻塞
   //缓冲区满了，也没有接收者，通道将被阻塞，其实就是不执行当前G了，将状态改成等待状态
   gp := getg()
   mysg := acquireSudog()
   c.sendq.enqueue(mysg)
   goparkunlock(&c.lock, "chan send", traceEvGoBlockSend, 3)
 
   //当G被唤醒，状态改成可执行状态，从这里开始继续执行
   releaseSudog(mysg)
   return true
}

大致实现：

1：接收队列不为空，从接收队列中取出第一个接收者*sudog，将数据复制到sudog.elem，复制函数为memmove用汇编实现，通知接收方数据给你了，将接收方协程由等待状态改成可运行状态，将当前协程加入协程队列，等待被调度。

2：没有接收者，有缓冲区且没有满，直接将数据复制到缓冲中，写入缓冲区的位置为hchan.buf[sendx++]，如果缓冲区已满sendx=0，就是循环队列的实现，往sendx指定的位置写数据，hchan.qcount++

3：没有接收者，没有缓冲区或是满了，则从当前协程对应的P的sudog队列中取一个struct sudog，将数据复制到sudog.elem，将sudog加入sendq队列中，通知接收方，当前流程阻塞，等待被唤醒，接收方收到通知后（被唤醒），继续往下执行，接收数据完成后会通知发送方，即将发送方协程状态由等待状态改成可运行状态，加入协程可运行队列，等着被执行

不会阻塞的情况：

1：通道缓冲区没有满之前，因为只是将要发送的数据复制到缓冲区就返回了

2：有接收者的情况，有数据复制到接收方的数据结构中（不是最终接收数据的变量，在执行接收函数的时候会拷贝到最终接收数据的变量），唤醒接收协程

会阻塞的情况：

自然就是缓冲区满了，也没有接收方，这个时候会将数据打包放到发送队列，当前协程被设置成等待状态，这个状态不会被调度，当有接收方收到数据后，才会被唤醒

通知函数：

goready(gp *g, traceskip int)

4.接收数据

接收数据实例：

val := <- ch

接收数据实现函数：

func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool)
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
   lock(&c.lock)
   if sg := c.sendq.dequeue(); sg != nil {
      // Found a waiting sender. If buffer is size 0, receive value
      // directly from sender. Otherwise, receive from head of queue
      // and add sender's value to the tail of the queue (both map to
      // the same buffer slot because the queue is full).
      recv(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
      return true, true
   }
 
   if c.qcount > 0 {
      // Receive directly from queue
      qp := chanbuf(c, c.recvx)
      if ep != nil {
         typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
      }
      typedmemclr(c.elemtype, qp)
      c.recvx++
      if c.recvx == c.dataqsiz {
         c.recvx = 0
      }
      c.qcount--
      unlock(&c.lock)
      return true, true
   }
 
   if !block {
      unlock(&c.lock)
      return false, false
   }
   //以上同步非阻塞
 
   //以下同步阻塞
   gp := getg()
   mysg := acquireSudog()
   c.recvq.enqueue(mysg)
   //将当前G状态改成等待状态，停止调度
   goparkunlock(&c.lock, "chan receive", traceEvGoBlockRecv, 3)
 
   //当前G被唤醒从这里继续执行 
   mysg.c = nil
   releaseSudog(mysg)
   return true, !closed
}

大致实现：

1.发送队列不为空（说明缓冲区已满），从发送队列中取出第一个发送者*sudog

1.1.没有缓冲区，直接将发送队列中的数据sudog.elem复制出来，存到接收数据的变量val中，通知发送方我处理完了，你可以继续执行

1.2.有缓冲区，复制出缓冲区hchan.buf[recvx]对应的元素到val，在将发送方sudog.elem复制到hchan.buf[recvx]，发送方按顺序写，接收方按顺序读，典型的FIFO，为了保证是先进先出，所以先复制出，再将队列首元素复制到对应的缓冲区中，其实就是发送队列连接在缓冲区后面，缓冲区满了，就写队列，接收的时候先从缓冲区中拿数据，拿掉之后空出来的位置从发送队列中取第一个填满，并唤醒对应的G，只要发送队列不为空，缓冲区肯定会被填满

2.发送队列为空，缓冲区不为空，复制出缓冲区hchan.buf[recvx]对应的元素到val，hchan.qcount--

3.发送队列为空，缓冲区也为空，那就是没有任何待接收的数据，接收流程就只能等了，将接收信息打包成sudog，加入接收队列recvq，当前执行流程阻塞，等有发送数据后会被唤醒继续

5.channel FIFO在解释一次

5.1：缓冲区没满，发送数据就是进缓冲队列，接收数据就是出缓冲队列，比较好理解

5.2：缓冲区已满，发送数据就是进等待队列，接收数据先出缓冲队列，即为要接收的数据，等待队列出列，将数据存在缓冲队列刚出列的位置，刚出列的位置相当于缓冲队列的末尾，也就是说等待队列的列头连在缓冲队列的末尾，将等待队列的列头加入缓存队列的列尾，保证了缓冲队列是满的，减少的是缓冲队列中的数据，保证先进先出

5.3：接收数据，缓冲队列或等待队列有数据，拿走第一个，保证等待队列是接在缓冲区末尾，即缓冲区末尾有空缺，就让等待队列出列，并填充至缓冲区末尾，否则将自己打包加入接收队列，当前G进入等待状态，有数据发送自然会通知你

总结：Go channel基于go的并发调度实现阻塞和非阻塞两种通讯方式