channel介绍

channel一个类型管道,通过它可以在goroutine之间发送和接收消息。它是Golang在语言层面提供的goroutine间的通信方式。

众所周知,Go依赖于称为CSP(Communicating Sequential Processes)的并发模型,通过Channel实现这种同步模式。Go并发的核心哲学是不要通过共享内存进行通信; 相反,通过沟通分享记忆。

下面以简单的示例来演示Go如何通过channel来实现通信。

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package main
import (
    "fmt"
    "time"
)
func goRoutineA(a <-chan int) {
    val := <-a
    fmt.Println("goRoutineA received the data", val)
}
func goRoutineB(b chan int) {
    val := <-b
    fmt.Println("goRoutineB  received the data", val)
}
func main() {
    ch := make(chan int, 3)
    go goRoutineA(ch)
    go goRoutineB(ch)
    ch <- 3
    time.Sleep(time.Second * 1)
}

结果为:goRoutineA received the data 3

上面只是个简单的例子,只输出goRoutineA ,没有执行goRoutineB,说明channel仅允许被一个goroutine读写。

go并发知识:go并发

说道channel这里不得不提通道的结构hchan。

hchan

源代码在src/runtime/chan.go

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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
}
type waitq struct {
    first *sudog
    last  *sudog
}

说明:

  • qcount uint // 当前队列中剩余元素个数
  • dataqsiz uint // 环形队列长度,即缓冲区的大小,即make(chan T,N),N.
  • buf unsafe.Pointer // 环形队列指针
  • elemsize uint16 // 每个元素的大小
  • closed uint32 // 表示当前通道是否处于关闭状态。创建通道后,该字段设置为0,即通道打开; 通过调用close将其设置为1,通道关闭。
  • elemtype *_type // 元素类型,用于数据传递过程中的赋值;
  • sendx uint和recvx uint是环形缓冲区的状态字段,它指示缓冲区的当前索引 - 支持数组,它可以从中发送数据和接收数据。
  • recvq waitq // 等待读消息的goroutine队列
  • sendq waitq // 等待写消息的goroutine队列
  • lock mutex // 互斥锁,为每个读写操作锁定通道,因为发送和接收必须是互斥操作。

这里sudog代表goroutine。

make chan

make函数在创建channel的时候会在该进程的heap区申请一块内存,创建一个hchan结构体,返回执行该内存的指针,所以获取的的ch变量本身就是一个指针,在函数之间传递的时候是同一个channel。

hchan结构体使用一个环形队列来保存groutine之间传递的数据(如果是缓存channel的话),使用两个list保存像该chan发送和从该chan接收数据的goroutine,还有一个mutex来保证操作这些结构的安全。

创建channel 有两种,一种是带缓冲的channel,一种是不带缓冲的channel

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// 带缓冲
ch := make(chan Task, 3)
// 不带缓冲
ch := make(chan int)

这里我们先讨论带缓冲

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ch := make(chan int, 3)

创建通道后的缓冲通道结构

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hchan struct {
    qcount uint : 0 
    dataqsiz uint : 3 
    buf unsafe.Pointer : 0xc00007e0e0 
    elemsize uint16 : 8 
    closed uint32 : 0 
    elemtype *runtime._type : &{
        size:8 
        ptrdata:0 
        hash:4149441018 
        tflag:7 
        align:8 
        fieldalign:8 
        kind:130 
        alg:0x55cdf0 
        gcdata:0x4d61b4 
        str:1055 
        ptrToThis:45152
        }
    sendx uint : 0 
    recvx uint : 0 
    recvq runtime.waitq : 
        {first:<nil> last:<nil>}
    sendq runtime.waitq : 
        {first:<nil> last:<nil>}
    lock runtime.mutex : 
        {key:0}
}

源代码

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func makechan(t *chantype, size int) *hchan {

   elem := t.elem
   ...
}

如果我们创建一个带buffer的channel,底层的数据模型如下图:

发送和接受数据

向channel发送和从channel接收数据主要涉及hchan里的四个成员变量,借用Kavya ppt里的图示,来分析发送和接收的过程。

向channel写入数据

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ch <- 3

底层hchan数据流程如图

发送操作概要

1、锁定整个通道结构。

2、确定写入。尝试recvq从等待队列中等待goroutine,然后将元素直接写入goroutine。

3、如果recvq为Empty,则确定缓冲区是否可用。如果可用,从当前goroutine复制数据到缓冲区。

4、如果缓冲区已满,则要写入的元素将保存在当前正在执行的goroutine的结构中,并且当前goroutine将在sendq中排队并从运行时挂起。

5、写入完成释放锁。

这里我们要注意几个属性buf、sendx、lock的变化。

流程图

从channel读取操作

几乎和写入操作相同

代码

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func goRoutineA(a <-chan int) {
   val := <-a
   fmt.Println("goRoutineA received the data", val)
}

底层hchan数据流程如图

这里我们要注意几个属性buf、sendx、recvx、lock的变化。

读取操作概要

  1. 先获取channel全局锁
  2. 尝试sendq从等待队列中获取等待的goroutine,
  3. 如有等待的goroutine,没有缓冲区,取出goroutine并读取数据,然后唤醒这个goroutine,结束读取释放锁。
  4. 如有等待的goroutine,且有缓冲区(此时缓冲区已满),从缓冲区队首取出数据,再从sendq取出一个goroutine,将goroutine中的数据存入buf队尾,结束读取释放锁。
  5. 如没有等待的goroutine,且缓冲区有数据,直接读取缓冲区数据,结束读取释放锁。
  6. 如没有等待的goroutine,且没有缓冲区或缓冲区为空,将当前的goroutine加入recvq排队,进入睡眠,等待被写goroutine唤醒。结束读取释放锁。

流程图

recvq和sendq 结构

recvq和sendq基本上是链表,看起来基本如下

Goroutine Pause/Resume

goroutine是Golang实现的用户空间的轻量级的线程,有runtime调度器调度,与操作系统的thread有多对一的关系,相关的数据结构如下图:

其中M是操作系统的线程,G是用户启动的goroutine,P是与调度相关的context,每个M都拥有一个P,P维护了一个能够运行的goutine队列,用于该线程执行。

当G1向buf已经满了的ch发送数据的时候,当runtine检测到对应的hchan的buf已经满了,会通知调度器,调度器会将G1的状态设置为waiting, 移除与线程M的联系,然后从P的runqueue中选择一个goroutine在线程M中执行,此时G1就是阻塞状态,但是不是操作系统的线程阻塞,所以这个时候只用消耗少量的资源。

那么G1设置为waiting状态后去哪了?怎们去resume呢?我们再回到hchan结构体,注意到hchan有个sendq的成员,其类型是waitq,查看源码如下:

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

实际上,当G1变为waiting状态后,会创建一个代表自己的sudog的结构,然后放到sendq这个list中,sudog结构中保存了channel相关的变量的指针(如果该Goroutine是sender,那么保存的是待发送数据的变量的地址,如果是receiver则为接收数据的变量的地址,之所以是地址,前面我们提到在传输数据的时候使用的是copy的方式)

当G2从ch中接收一个数据时,会通知调度器,设置G1的状态为runnable,然后将加入P的runqueue里,等待线程执行.

wait empty channel

前面我们是假设G1先运行,如果G2先运行会怎么样呢?如果G2先运行,那么G2会从一个empty的channel里取数据,这个时候G2就会阻塞,和前面介绍的G1阻塞一样,G2也会创建一个sudog结构体,保存接收数据的变量的地址,但是该sudog结构体是放到了recvq列表里,当G1向ch发送数据的时候,runtime并没有对hchan结构体题的buf进行加锁,而是直接将G1里的发送到ch的数据copy到了G2 sudog里对应的elem指向的内存地址!

2344773-20210819140840860-863073368.png

select

select就是用来监听和channel有关的IO操作,当 IO 操作发生时,触发相应的动作。

一个简单的示例如下

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package main

import (
   "fmt"
   "time"
)

func goRoutineD(ch chan int, i int) {
   time.Sleep(time.Second * 3)
   ch <- i
}
func goRoutineE(chs chan string, i string) {
   time.Sleep(time.Second * 3)
   chs <- i

}

func main() {
   ch := make(chan int, 5)
   chs := make(chan string, 5)

   go goRoutineD(ch, 5)
   go goRoutineE(chs, "ok")

    select {
    case msg := <-ch:
        fmt.Println(" received the data ", msg)
    case msgs := <-chs:
        fmt.Println(" received the data ", msgs)
    default:
        fmt.Println("no data received ")
        time.Sleep(time.Second * 1)
    }

}

运行程序,因为当前时间没有到3s,所以select 选择defult

no data received

修改程序,我们注释掉default,并多执行几次结果为

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received the data 5

received the data ok

received the data ok

received the data ok

select语句会阻塞,直到监测到一个可以执行的IO操作为止,而这里goRoutineD和goRoutineE睡眠时间是相同的,都是3s,从输出可看出,从channel中读出数据的顺序是随机的。

再修改代码,goRoutineD睡眠时间改成4s

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func goRoutineD(ch chan int, i int) {
   time.Sleep(time.Second * 4)
   ch <- i
}

此时会先执行goRoutineE,select 选择case msgs := <-chs。

range

可以持续从channel读取数据,一直到channel被关闭,当channel中没有数据时会阻塞当前goroutine,与读channel时阻塞处理机制一样。

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package main

import (
   "fmt"
   "time"
)

func goRoutineD(ch chan int, i int) {
   for   i := 1; i <= 5; i++{
      ch <- i
   }

}
func chanRange(chanName chan int) {
   for e := range chanName {
      fmt.Printf("Get element from chan: %d\n", e)
      if len(chanName) <= 0 { // 如果现有数据量为0,跳出循环
            break
      }
   }
}
func main() {
   ch := make(chan int, 5)
   go goRoutineD(ch, 5)
   chanRange(ch)

}

结果:

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Get element from chan: 1
Get element from chan: 2
Get element from chan: 3
Get element from chan: 4
Get element from chan: 5

死锁(deadlock)

指两个或两个以上的协程的执行过程中,由于竞争资源或由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象。

在非缓冲信道若发生只流入不流出,或只流出不流入,就会发生死锁。

下面是一些死锁的例子

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package main

func main() {
   ch := make(chan int)
   ch <- 3
}

上面情况,向非缓冲通道写数据会发生阻塞,导致死锁。解决办法创建缓冲区 ch := make(chan int,3)

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package main

import (
   "fmt"
)

func main() {
   ch := make(chan int)
   fmt.Println(<-ch)
}

向非缓冲通道读取数据会发生阻塞,导致死锁。 解决办法开启缓冲区,先向channel写入数据。

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package main

func main() {
   ch := make(chan int, 3)
   ch <- 3
   ch <- 4
   ch <- 5
   ch <- 6
}

写入数据超过缓冲区数量也会发生死锁。解决办法将写入数据取走。

死锁的情况有很多这里不再赘述。 还有一种情况,向关闭的channel写入数据,不会产生死锁,产生panic。

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package main

func main() {
    ch := make(chan int, 3)
    ch <- 1
    close(ch)
    ch <- 2
}

解决办法别向关闭的channel写入数据。

参考文章