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Go 語言的 channel 底層是什么數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？本文深入解析了 channel。

Golang 使用 Groutine 和 channels 實現(xiàn)了 CSP(Communicating Sequential Processes) 模型，channles 在 goroutine 的通信和同步中承擔著重要的角色。

在 GopherCon 2017 中，Golang 專家 Kavya 深入介紹了 Go Channels 的內(nèi)部機制，以及運行時調(diào)度器和內(nèi)存管理系統(tǒng)是如何支持 Channel 的，本文根據(jù) Kavya 的 ppt 學習和分析一下 go channels 的原理，希望能夠?qū)σ院笳_高效使用 golang 的并發(fā)帶來一些啟發(fā)。

以一個簡單的 channel 應用開始，使用 goroutine 和 channel 實現(xiàn)一個任務隊列，并行處理多個任務。 

func main(){  
    //帶緩沖的 channel  
    ch := make(chan Task, 3) 
    //啟動固定數(shù)量的 worker  
    for i := 0; i< numWorkers; i++ {  
        go worker(ch)  
    }  
    //發(fā)送任務給 worker  
    hellaTasks := getTaks()  
    for _, task := range hellaTasks { 
        ch <- task  
    } 
    ...  
}  
func worker(ch chan Task){  
    for {  
       //接受任務  
       task := <- ch  
       process(task)  
    }  
} 

從上面的代碼可以看出，使用 golang 的 goroutine 和 channel 可以很容易的實現(xiàn)一個生產(chǎn)者-消費者模式的任務隊列，相比 Java, c++簡潔了很多。channel 可以天然的實現(xiàn)了下面四個特性：

•  goroutine 安全
•  在不同的 goroutine 之間存儲和傳輸值 - 提供 FIFO 語義 (buffered channel 提供）
•  可以讓 goroutine block/unblock

那么 channel 是怎么實現(xiàn)這些特性的呢？下面我們看看當我們調(diào)用 make 來生成一個 channel 的時候都做了些什么。

make chan

上述任務隊列的例子第三行，使用 make 創(chuàng)建了一個長度為 3 的帶緩沖的 channel，channel 在底層是一個 hchan 結(jié)構(gòu)體，位于 src/runtime/chan.go 里。其定義如下： 

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  
} 

make 函數(shù)在創(chuàng)建 channel 的時候會在該進程的 heap 區(qū)申請一塊內(nèi)存，創(chuàng)建一個 hchan 結(jié)構(gòu)體，返回執(zhí)行該內(nèi)存的指針，所以獲取的的 ch 變量本身就是一個指針，在函數(shù)之間傳遞的時候是同一個 channel。

hchan 結(jié)構(gòu)體使用一個環(huán)形隊列來保存 groutine 之間傳遞的數(shù)據(jù)（如果是緩存 channel 的話），使用**兩個 list **保存像該 chan 發(fā)送和從該 chan 接收數(shù)據(jù)的 goroutine，還有一個 mutex 來保證操作這些結(jié)構(gòu)的安全。

發(fā)送和接收

向 channel 發(fā)送和從 channel 接收數(shù)據(jù)主要涉及 hchan 里的四個成員變量，借用 Kavya ppt 里的圖示，來分析發(fā)送和接收的過程。

還是以前面的任務隊列為例： 

//G1  
func main(){  
    ...  
    for _, task := range hellaTasks {  
        ch <- task    //sender  
    }  
    ...  
}  
//G2  
func worker(ch chan Task){  
    for {  
       //接受任務  
       task := <- ch  //recevier  
       process(task)  
    }  
} 

其中 G1 是發(fā)送者，G2 是接收，因為 ch 是長度為 3 的帶緩沖 channel，初始的時候 hchan 結(jié)構(gòu)體的 buf 為空，sendx 和 recvx 都為 0，當 G1 向 ch 里發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，會首先對 buf 加鎖，然后將要發(fā)送的數(shù)據(jù) copy 到 buf 里，并增加 sendx 的值，最后釋放 buf 的鎖。然后 G2 消費的時候首先對 buf 加鎖，然后將 buf 里的數(shù)據(jù) copy 到 task 變量對應的內(nèi)存里，增加 recvx，最后釋放鎖。整個過程，G1 和 G2 沒有共享的內(nèi)存，底層通過 hchan 結(jié)構(gòu)體的 buf，使用 copy 內(nèi)存的方式進行通信，最后達到了共享內(nèi)存的目的，這完全符合 CSP 的設(shè)計理念

Do not comminute by sharing memory;instead, share memory by communicating

一般情況下，G2 的消費速度應該是慢于 G1 的，所以 buf 的數(shù)據(jù)會越來越多，這個時候 G1 再向 ch 里發(fā)送數(shù)據(jù)，這個時候 G1 就會阻塞，那么阻塞到底是發(fā)生了什么呢？

Goroutine Pause/Resume

goroutine 是 Golang 實現(xiàn)的用戶空間的輕量級的線程，有 runtime 調(diào)度器調(diào)度，與操作系統(tǒng)的 thread 有多對一的關(guān)系，相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下圖：

其中 M 是操作系統(tǒng)的線程，G 是用戶啟動的 goroutine，P 是與調(diào)度相關(guān)的 context，每個 M 都擁有一個 P，P 維護了一個能夠運行的 goutine 隊列，用于該線程執(zhí)行。

當 G1 向 buf 已經(jīng)滿了的 ch 發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，當 runtine 檢測到對應的 hchan 的 buf 已經(jīng)滿了，會通知調(diào)度器，調(diào)度器會將 G1 的狀態(tài)設(shè)置為 waiting, 移除與線程 M 的聯(lián)系，然后從 P 的 runqueue 中選擇一個 goroutine 在線程 M 中執(zhí)行，此時 G1 就是阻塞狀態(tài)，但是不是操作系統(tǒng)的線程阻塞，所以這個時候只用消耗少量的資源。

那么 G1 設(shè)置為 waiting 狀態(tài)后去哪了？怎們?nèi)?resume 呢？我們再回到 hchan 結(jié)構(gòu)體，注意到 hchan 有個 sendq 的成員，其類型是 waitq，查看源碼如下： 

type hchan struct {   
    ...   
    recvq waitq // list of recv waiters   
    sendq waitq // list of send waiters   
    ...   
}   
//   
type waitq struct {   
    first *sudog   
    last *sudog   
}  

實際上，當 G1 變?yōu)?waiting 狀態(tài)后，會創(chuàng)建一個代表自己的 sudog 的結(jié)構(gòu)，然后放到 sendq 這個 list 中，sudog 結(jié)構(gòu)中保存了 channel 相關(guān)的變量的指針（如果該 Goroutine 是 sender，那么保存的是待發(fā)送數(shù)據(jù)的變量的地址，如果是 receiver 則為接收數(shù)據(jù)的變量的地址，之所以是地址，前面我們提到在傳輸數(shù)據(jù)的時候使用的是 copy 的方式）

當 G2 從 ch 中接收一個數(shù)據(jù)時，會通知調(diào)度器，設(shè)置 G1 的狀態(tài)為 runnable，然后將加入 P 的 runqueue 里，等待線程執(zhí)行。

wait empty channel

前面我們是假設(shè) G1 先運行，如果 G2 先運行會怎么樣呢？如果 G2 先運行，那么 G2 會從一個 empty 的 channel 里取數(shù)據(jù)，這個時候 G2 就會阻塞，和前面介紹的 G1 阻塞一樣，G2 也會創(chuàng)建一個 sudog 結(jié)構(gòu)體，保存接收數(shù)據(jù)的變量的地址，但是該 sudog 結(jié)構(gòu)體是放到了 recvq 列表里，當 G1 向 ch 發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，runtime 并沒有對 hchan 結(jié)構(gòu)體題的 buf 進行加鎖，而是直接將 G1 里的發(fā)送到 ch 的數(shù)據(jù) copy 到了 G2 sudog 里對應的 elem 指向的內(nèi)存地址！

總結(jié)

Golang 的一大特色就是其簡單高效的天然并發(fā)機制，使用 goroutine 和 channel 實現(xiàn)了 CSP 模型。

理解 channel 的底層運行機制對靈活運用 golang 開發(fā)并發(fā)程序有很大的幫助，看了 Kavya 的分享，然后結(jié)合 golang runtime 相關(guān)的源碼（源碼開源并且也是 golang 實現(xiàn)簡直良心！), 對 channel 的認識更加的深刻，當然還有一些地方存在一些疑問，比如 goroutine 的調(diào)度實現(xiàn)相關(guān)的，還是要潛心膜拜大神們的源碼！