图解Golang的channel底层原理

此文章转自 互联网技术窝

废话不多说，直奔主题。

channel的整体结构图

简单说明：

• buf 是有缓冲的channel所特有的结构，用来存储缓存数据。是个循环链表
• sendx 和 recvx 用于记录 buf 这个循环链表中的~发送或者接收的~index
• lock 是个互斥锁。
• recvq 和 sendq 分别是接收(<-channel)或者发送(channel <- xxx)的goroutine抽象出来的结构体(sudog)的队列。是个双向链表

源码位于 /runtime/chan.go 中(目前版本：1.11)。结构体为 hchan 。

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
}

下面我们来详细介绍 hchan 中各部分是如何使用的。

先从创建开始

我们首先创建一个channel。

ch := make(chan int, 3)

创建channel实际上就是在内存中实例化了一个 hchan 的结构体，并返回一个ch指针，我们使用过程中channel在函数之间的传递都是用的这个指针，这就是为什么函数传递中无需使用channel的指针，而直接用channel就行了，因为channel本身就是一个指针。

channel中发送send(ch <- xxx)和recv(<- ch)接收

先考虑一个问题，如果你想让goroutine以先进先出(FIFO)的方式进入一个结构体中，你会怎么操作？ 加锁！对的！channel就是用了一个锁。hchan本身包含一个互斥锁 mutex

channel中队列是如何实现的

channel中有个缓存buf，是用来缓存数据的(假如实例化了带缓存的channel的话)队列。我们先来看看是如何实现“队列”的。 还是刚才创建的那个channel

ch := make(chan int, 3)

当使用 send (ch <- xx) 或者 recv ( <-ch) 的时候，首先要锁住 hchan 这个结构体。

然后开始 send (ch <- xx) 数据。 一

ch <- 1

二

ch <- 1

三

ch <- 1

这时候满了，队列塞不进去了 动态图表示为：

然后是取 recv ( <-ch) 的过程，是个逆向的操作，也是需要加锁。

然后开始 recv (<-ch) 数据。 一

<-ch

二

<-ch

三

<-ch

图为：

注意以上两幅图中 buf 和 recvx 以及 sendx 的变化， recvx 和 sendx 是根据循环链表 buf 的变动而改变的。 至于为什么channel会使用循环链表作为缓存结构，我个人认为是在缓存列表在动态的 send 和 recv 过程中，定位当前 send 或者 recvx 的位置、选择 send 的和 recvx 的位置比较方便吧，只要顺着链表顺序一直旋转操作就好。

缓存中按链表顺序存放，取数据的时候按链表顺序读取，符合FIFO的原则。

send/recv的细化操作

注意：缓存链表中以上每一步的操作，都是需要加锁操作的！

每一步的操作的细节可以细化为：

• 第一，加锁
• 第二，把数据从goroutine中copy到“队列”中(或者从队列中copy到goroutine中）。
• 第三，释放锁

每一步的操作总结为动态图为：(发送过程)

或者为：(接收过程)

所以不难看出，Go中那句经典的话： Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating. 的具体实现就是利用channel把数据从一端copy到了另一端！ 还真是符合 channel 的英文含义：

当channel缓存满了之后会发生什么？这其中的原理是怎样的？

使用的时候，我们都知道，当channel缓存满了，或者没有缓存的时候，我们继续send(ch <- xxx)或者recv(<- ch)会阻塞当前goroutine，但是，是如何实现的呢？

我们知道，Go的goroutine是用户态的线程( user-space threads )，用户态的线程是需要自己去调度的，Go有运行时的scheduler去帮我们完成调度这件事情。关于 Go 的调度模型GMP模型我在此不做赘述，如果不了解，可以看我另一篇文章( Go调度原理 )

goroutine的阻塞操作，实际上是调用 send (ch <- xx) 或者 recv ( <-ch) 的时候主动触发的，具体请看以下内容：

//goroutine1 中，记做G1

ch := make(chan int, 3)

ch <- 1
ch <- 1
ch <- 1

这个时候G1正在正常运行,当再次进行send操作(ch<-1)的时候，会主动调用Go的调度器,让G1等待，并从让出M，让其他G去使用

同时G1也会被抽象成含有G1指针和send元素的 sudog 结构体保存到hchan的 sendq 中等待被唤醒。

那么，G1什么时候被唤醒呢？这个时候G2隆重登场。

G2执行了recv操作 p := <-ch ，于是会发生以下的操作：

G2从缓存队列中取出数据，channel会将等待队列中的G1推出，将G1当时send的数据推到缓存中，然后调用Go的scheduler，唤醒G1，并把G1放到可运行的Goroutine队列中。

假如是先进行执行recv操作的G2会怎么样？

你可能会顺着以上的思路反推。首先：

这个时候G2会主动调用Go的调度器,让G2等待，并从让出M，让其他G去使用。 G2还会被抽象成含有G2指针和recv空元素的 sudog 结构体保存到hchan的 recvq 中等待被唤醒

此时恰好有个goroutine G1开始向channel中推送数据 ch <- 1 。 此时，非常有意思的事情发生了：

G1并没有锁住channel，然后将数据放到缓存中，而是直接把数据从G1直接copy到了G2的栈中。 这种方式非常的赞！在唤醒过程中，G2无需再获得channel的锁，然后从缓存中取数据。减少了内存的copy，提高了效率。

之后的事情显而易见：

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参考文献：

• https://www.youtube.com/watch?v=KBZlN0izeiY
• https://zhuanlan.zhihu.com/p/27917262