徹底搞懂 Channel 實現原理

程式設計師祝融發表於2023-01-17


最近大傢俬信我讓我說說 Go 語言中的 Channel，年末了，有的人已經開始準備面試，真快呀！今天我們就來說說 Channel嗎，日常開發中使用也是比較頻繁的，面試也是高頻。聽我慢慢說來。

Channel （通道） 是 Go 語言高效能併發程式設計中的核心資料結構和與 Goroutine 之前重要的通訊方式。在 Go 語言中通道是一種特殊的型別。通道像一個傳送帶或者佇列，遵循先入先出（First In First Out）的規則，保證收發資料的順序。

1. 應用場景

在很多主流的程式語言中，多個執行緒間基本上都是透過共享記憶體來實現通訊的，如Java。這類語言往往都需要限制一定的執行緒數量從而解決執行緒競爭。用圖的方式簡單表達一下。

Go 語言的設計卻截然不同，在 Go 語言提供了一種新的併發模型，在 Goroutine 中使用 Channel 傳遞資料，從而實現通訊。

Go 語言提倡 “不要透過共享記憶體的方式進行通訊，而是透過 Channel 通訊的方式共享記憶體”。

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

我們會結合 chanal 使用場景的 5 大型別來闡述，更好的瞭解 Channel。

  • 資料交流
  • 資料傳遞
  • 訊號通知
  • 任務編排
  • 鎖

接下來學一下一下 chanel 的常見用法。

2. 常見用法

我們一開始就說 Go 語言是透過通訊來實現共享記憶體的，故我們可以從 channel 中接受資料，也能傳送資料。下文中會簡稱 channek 為 chan。我們將從一下三種情況展開說下

  • 僅接送資料
  • 僅傳送資料
  • 既能接受也能傳送資料
chan int        // 可以傳送和接收 int 資料
chan <- struct{}   // 只能傳送 struct{}
<-chan string           // 只能從 chan 接收 string 資料

宣告的通道型別變數需要使用內建的 make 函式初始化之後才能使用。格式如下：

make(chan 元素型別, [緩衝區大小])

make(chan int) // 無緩衝通道
make(chan int, 1024) // 有緩衝通道

記住 Go 語言中 chan 沒有型別的限制，其中 chan 的緩衝大小是可選的，未初始化的是一個 nil 值。

  • 指定緩衝區的大小，我們稱其為 “ 緩衝通道” 。
  • 未指定了緩衝區的大小，我們稱其為 “ 無緩衝通道” 又稱為阻塞的通道。

無緩衝通道

無緩衝的通道又稱為阻塞的通道，如上方第 3 行程式碼，無緩衝的通道只有在有接收方能夠接收值的時候才能傳送成功，否則會一直處於等待傳送的階段。同理，如果對一個無緩衝通道執行接收操作時，沒有任何向通道中傳送值的操作那麼也會導致接收操作阻塞。

緩衝通道

當制定了緩衝區的大小，初始化如上方第 4 行程式碼。若 chan 中有資料時，此時從 chan 中接收資料不會發生阻塞；若 chan 未滿時，此時傳送資料也不會發生阻塞，反之就會出現阻塞。

接下來說下 Channel 的基本用法。

2.1 傳送資料

將一個值傳送到通道（chan） 中：

chan <- 1024 // 將1024 發到 chan 中

2.2 接收資料

從一個通道（chan） 中接收值：

x := <- ch // 從ch中接收值並賦值給變數x

<-ch // 從ch中接收值，並丟棄

2.3 關閉通道

我們透過內建函式 close 函式來關閉通道：

close(chan)

2.4 其他操作

Go 一些內建的函式都可以操作 chan 型別。比如 len、cap

  • len 可以返回 chan 中還未被處理的元素數量
  • cap 可以返回 chan 的容量

注： 目前 Go 語言中並沒有提供一個不對通道進行讀取操作就能判斷通道 chan 是否被關閉的方法。不能簡單的透過 len(ch) 操作來判斷通道 chan 是否被關閉。

用 for range 接收值：

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

還有 send 和 recv 可以作為 select 語句的 case：

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

下面我說下原始碼的角度分析一下 chan 的具體實現，掌握了原理，我們才能真正地用好它，才能在談高薪是有底氣！

3. 實現原理

3.1 chan 資料結構

Go 語言的 Channel 在執行時使用 runtime.hchan 結構體表示。我們在 Go 語言中建立新的 Channel 時，實際上建立的都是如下所示的結構：

type hchan struct {
    qcount   uint              // 迴圈佇列元素的數量
    dataqsiz uint             // 迴圈佇列的大小
    buf      unsafe.Pointer // 迴圈佇列緩衝區的資料指標
    elemsize uint16            // chan中元素的大小
    closed   uint32            // 是否已close
    elemtype *_type            // chan 中元素型別
    sendx    uint            // send 傳送操作在 buf 中的位置
    recvx    uint            // recv 接收操作在 buf 中的位置
    recvq    waitq            // receiver的等待佇列
    sendq    waitq            // senderl的等待佇列

    lock mutex                // 互斥鎖，保護所有欄位
}

runtime.hchan 結構體中的五個欄位 qcount、dataqsiz、buf、sendx、recv 構建底層的迴圈佇列 （channel）。解釋一下上面的欄位含義：

  • qcount：代表迴圈佇列 chan 中已經接收但還沒被取走的元素的個數。
  • datagsiz 迴圈佇列 chan 的大小。選用了一個迴圈佇列來存放元素，類似於佇列的生產者 - 消費者場景
  • buf：存放元素的迴圈佇列的 buffer。
  • elemtype 和 elemsize：迴圈佇列 chan 中元素的型別和 size。chan 一旦宣告，它的元素型別是固定的，即普通型別或者指標型別，元素大小自然也就固定了。
  • sendx：處理傳送資料的指標在 buf 中的位置。一旦接收了新的資料，指標就會加上 elemsize，移向下一個位置。buf 的總大小是 elemsize 的整數倍，而且 buf 是一個迴圈列表。
  • recvx：處理接收請求時的指標在 buf 中的位置。一旦取出資料，指標會移動到下一個位置。
  • recvq：chan 是多生產者多消費者的模式，如果消費者因為沒有資料可讀而被阻塞了，就會被加入到 recvq 佇列中。
  • sendq：如果生產者因為 buf 滿了而阻塞，會被加入到 sendq 佇列中。

3.2 傳送資料（send）

我們接下來繼續介紹 chan 的接收資料。Go 語言中可以使用 ch <- i 向 chan 中傳送資料。

我們看下 chansend 原始碼，Go 編譯器在向 chan 傳送資料時，會將 send 轉換成 chansend1 函式。如下：

chansend1 中呼叫 chansend 並傳入 channel 和需要傳送的資料。一開始會判斷當前 chan 是否為 nil ，是 nil 會阻塞呼叫者 gopark。我們會發現第 11 行是不會被程式執行的。

當 chan 關閉了，此時傳送資料會造成 panic 錯誤。

如果 chan 沒有被關閉並且等待佇列中已經有處於讀等待的 Goroutine，那麼會從接收佇列 recvq 中取出最先陷入等待的 Goroutine 並直接向它傳送資料。

如果建立的 chan 包含緩衝區（chanbuf）並且 chan 中的資料沒有裝滿，會執行下面這段程式碼：

在這裡我們首先會使用緩衝區中計算出下一個可以儲存資料的位置，然後透過 typedmemmove 將傳送的資料複製到緩衝區中並增加 sendx 索引和 qcount 計數器。

3.3 接收資料（recv）

接下來繼續介紹 chan 的接收資料。Go 語言中可以使用兩種不同的方式去接收 chan 中的資料：

i <- ch
i, ok <- ch

從 chan 中接收資料會被轉換成 chanrecv1 和 chanrecv2 兩種函式，但是最後還是會呼叫 chanrecv。

可以看到 chanrecv1 和 chanrecv2 中呼叫 chanrecv 時 block 的值都是 true，在 chanrecv 中 chan 為 nil ，我們從 nil 的 chan 中接收資料，呼叫者會被阻塞主 goroutine park，和傳送一樣，第 15 行也不會被執行。

當緩衝區中沒有資料且當前的 chan 已經 close 了，那麼會清除 ep 指標中的資料，程式碼段會返回 true、false。

當緩衝區滿了，這個時候，如果是 unbuffer 的 chan，就直接將 sender 的資料複製給 receiver，否則就取出佇列頭等待的 Goroutine，並把這個 sender 的值加入到佇列尾部。

3.4 關閉（close）

Go 語言中關閉一個 chan 用自帶的 close 函式，編譯器會轉成呼叫 closechan，我們看下原始碼：

  • close 一個 nil 的 chan 會出現 panic；
  • close 一個 已經 closed 的 chan，會出現 panic；
  • 當 chan 不為 nil 也不為 closed，才能 close 成功，從而把等待佇列中的 sender（writer）和 receiver（reader）從佇列中全部移除並喚醒。

原始碼的部分就到這裡了，我們接下來說下開發中需要注意的點。

4. 總結

我們開發中，chan 的值或者狀態會有很多種情況，此時一定要注意使用方式，一些操作可能會出現 panic。我總結了一下異常場景，如下表：
| | nil channel | 有值 channel | 沒值 channel | 滿 channel |
| ——————- | ———– | ———- | ———- | ——— |
| <- ch （傳送資料） | 阻塞 | 傳送成功 | 傳送成功 | 阻塞 |
| ch <- （接收資料） | 阻塞 | 接收成功 | 阻塞 | 接收成功 |
| close(ch) 關閉channel | panic | 關閉成功 | 關閉成功 | 關閉成功|

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