本文来自 Go就业训练营 小韬同学的投稿。
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正文
我们在学习与使用Go语言的过程中，对channel并不陌生，channel是Go语言与众不同的特性之一，也是非常重要的一环，深入理解Channel，相信能够在使用的时候更加的得心应手。
一、Channel基本用法
1、channel类别
channel在类型上，可以分为两种：
-
双向channel：既能接收又能发送的
channel -
单向channel：只能发送或只能接收的
channel，即单向channel可以为分为：只写channel只读channel
声明并初始化如下如下：
func main() {
// 声明并初始化
var ch chan string = make(chan string) // 双向channel
var readCh <-chan string = make(<-chan string) // 只读channel
var writeCh chan<- string = make(chan<- string) // 只写channel
}
上述定义中，<-表示单向的channel。如果箭头指向chan，就表示只写channel，可以往chan里边写入数据；如果箭头远离chan，则表示为只读channel，可以从chan读数据。
在定义channel时，可以定义任意类型的channel，因此也同样可以定义chan类型的channel。例如：
a := make(chan<- chan int) // 定义类型为 chan int 的写channel
b := make(chan<- <-chan int) // 定义类型为 <-chan int 的写channel
c := make(<-chan <-chan int) // 定义类型为 <-chan int 的读channel
d := make(chan (<-chan int)) // 定义类型为 (<-chan int) 的读channel
当channel未初始化时，其零值为nil。nil 是 chan 的零值，是一种特殊的 chan，对值是 nil 的 chan 的发送接收调用者总是会阻塞。
func main() {
var ch chan string
fmt.Println(ch) // <nil>
}
通过make我们可以初始化一个channel，并且可以设置其容量的大小，如下初始化了一个类型为string，其容量大小为512的channel：
var ch chan string = make(chan string, 512)
当初始化定义了channel的容量，则这样的channel叫做buffered chan，即有缓冲channel。如果没有设置容量，channel的容量为0，这样的channel叫做unbuffered chan，即无缓冲channel。
有缓冲channel中，如果channel中还有数据，则从这个channel接收数据时不会被阻塞。如果channel的容量还未满，那么向这个channel发送数据也不会被阻塞，反之则会被阻塞。
无缓冲channel则只有当读写操作都准备好后，才不会阻塞，这也是unbuffered chan在使用过程中非常需要注意的一点，否则可能会出现常见的bug。
channel的常见操作：
- 发送数据
往channel发送一个数据使用ch <-
func main() {
var ch chan int = make(chan int, 512)
ch <- 2000
}
上述的ch可以是chan int类型，也可以是单向chan <-int。
- 接收数据
从channel接收一条数据可以使用<-ch
func main() {
var ch chan int = make(chan int, 512)
ch <- 2000 // 发送数据
data := <-ch // 接收数据
fmt.Println(data) // 2000
}
ch 类型是 chan T，也可以是单向<-chan T
在接收数据时，可以返回两个返回值。第一个返回值返回channel中的元素，第二个返回值为bool类型，表示是否成功地从channel中读取到一个值。
如果第二个参数是false，则表示channel已经被close而且channel中没有缓存的数据，这个时候第一个值返回的是零值。
func main() {
var ch chan int = make(chan int, 512)
ch <- 2000 // 发送数据
data1, ok1 := <-ch // 接收数据
fmt.Printf("data1 = %d, ok1 = %t\n", data1, ok1) // data1 = 2000, ok1 = true
close(ch) // 关闭channel
data2, ok2 := <-ch // 接收数据
fmt.Printf("data2 = %d, ok2 = %t", data2, ok2) // data2 = 0, ok2 = false
}
所以，如果从channel读取到一个零值，可能是发送操作真正发送的零值，也可能是closed关闭channel并且channel没有缓存元素产生的零值，这是需要注意判别的一个点。
- 其他操作
Go内建的函数close、cap、len都可以对chan类型进行操作。
-
close：关闭channel。 -
cap：返回channel的容量。 -
len：返回channel缓存中还未被取走的元素数量。
func main() {
var ch chan int = make(chan int, 512)
ch <- 100
ch <- 200
fmt.Println("ch len:", len(ch)) // ch len: 2
fmt.Println("ch cap:", cap(ch)) // ch cap: 512
}
发送操作与接收操作可以作为select语句中的case clause，例如：
func main() {
var ch = make(chan int, 512)
for i := 0; i < 10; i++ {
select {
case ch <- i:
case v := <-ch:
fmt.Println(v)
}
}
}
for-range语句同样可以在chan中使用，例如：
func main() {
var ch = make(chan int, 512)
ch <- 100
ch <- 200
ch <- 300
for v := range ch {
fmt.Println(v)
}
}
// 执行结果
100
200
300
2、select介绍
在Go语言中，select语句用于监控一组case语句，根据特定的条件执行相对应的case语句或default语句，与switch类似，但不同之处在于select语句中所有case中的表达式都必须是channel的发送或接收操作。select使用示例代码如下：
select {
case <-ch1:
fmt.Println("ch1")
case ch2 <- 1:
fmt.Println("ch2")
}
上述代码中，select关键字让当前goroutine同时等待ch1 的可读和ch2的可写，在满足任意一个case分支之前，select 会一直阻塞下去，直到其中的一个 channel 转为就绪状态时执行对应case分支的代码。如果多个channel同时就绪的话则随机选择一个case执行。
当使用空select时，空的 select 语句会直接阻塞当前的goroutine，使得该goroutine进入无法被唤醒的永久休眠状态。空select，即select内不包含任何case。
select{
}
另外当select语句内只有一个case分支时，如果该case分支不满足，那么当前select就变成了一个阻塞的channel读/写操作。
select {
case <-ch1:
fmt.Println("ch1")
}
上述select中，当ch1可读时，会执行打印操作，反之则阻塞当前goroutine。
当select语句内包含default分支时，如果select内的所有case都不满足，则会执行default分支的逻辑，用于当其他case都不满足时执行一些默认操作。
select {
case <-ch1:
fmt.Println("ch1")
case ch2 <- 1:
fmt.Println("ch2")
default:
fmt.Println("default")
}
上述代码中，当ch1可读或ch2可写时，会执行相应的打印操作，否则就执行default语句中的代码，相当于一个非阻塞的channel读取操作。
select的使用可以总结为：
-
select不存在任何的case且没有default分支：永久阻塞当前 goroutine； -
select只存在一个case且没有default分支：阻塞的发送/接收； -
select存在多个case：随机选择一个满足条件的case执行； -
select存在default，其他case都不满足时：执行default语句中的代码；
二、Channel实现原理
从代码的角度剖析channel的实现，能够让我们更好的去使用channel。
我们可以从chan类型的数据结构、初始化以及三个操作发送、接收和关闭这几个方面来了解channel。
1、chan数据结构
chan类型的数据结构定义位于runtime.hchan，其结构体定义如下：
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
}
解释一下上述各个字段的意义：
-
qcount：表示chan中已经接收到的数据且还未被取走的元素个数。内建函数len可以返回这个字段的值。 -
datasiz：循环队列的大小。chan在实现上使用一个循环队列来存放元素的个数，循环队列适用于生产者-消费者的场景。 -
buf：存放元素的循环队列buffer，buf字段是一个指向队列缓冲区的指针，即指向一个dataqsiz元素的数组。buf字段是使用unsafe.Pointer类型来表示队列缓冲区的起始地址。unsafe.Pointer是一种特殊的指针类型，它可以用于指向任何类型的数据。由于队列缓冲区的类型是动态分配的，所以不能直接使用某个具体类型的指针来表示。 -
elemtype、elemsize：elemtype表示chan中元素的数据类型，elemsize表示其大小。当chan定义后，它的元素类型是固定的，即普通类型或者指针类型，因此元素大小也是固定的。 -
sendx：处理发送数据操作的指针在buf队列中的位置。当channel接收到了新的数据时，该指针就会加上elemsize，移动到下一个位置。buf的总大小是elemsize的整数倍且buf是一个循环列表。 -
recvx：处理接收数据操作的指针在buf队列中的位置。当从buf中取出数据，此指针会移动到下一个位置。 -
recvq：当接收操作发现channel中没有数据可读时，会被则色，此时会被加入到recvq队列中。 -
sendq：当发送操作发现buf队列已满时，会被进行阻塞，此时会被加入到sendq队列中。
2、chan初始化
channel在进行初始化时，Go编译器会根据是否传入容量的大小，来选择调用makechan64，还是makechan。makechan64在实现上底层还是调用makechan来进行初始化，makechan64只是对size做了检查。
makechan函数根据chan的容量的大小和元素的类型不同，初始化不同的存储空间。省略一些检查代码，makechan函数的主要逻辑如下：
func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
elem := t.elem
...
mem, overflow := math.MulUintptr(elem.size, uintptr(size))
...
var c *hchan
switch {
case mem == 0:
// 队列或元素大小为零，不必创建buf
c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true))
c.buf = c.raceaddr()
case elem.ptrdata == 0:
// 元素不包含指针，分配一块连续的内存给hchan数据结构和buf
// hchan数据结构后面紧接着就是buf，在一次调用中分配hchan和buf
c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true))
c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)
default:
// 元素包含指针，单独分配buf
c = new(hchan)
c.buf = mallocgc(mem, elem, true)
}
// 记录元素大小、类型、容量
c.elemsize = uint16(elem.size)
c.elemtype = elem
c.dataqsiz = uint(size)
lockInit(&c.lock, lockRankHchan)
...
return c
}
3、send发送操作
Go在编译发送数据给channel时，会把发送操作send转换成chansend1函数，而chansend1函数会调用chansend函数。
func chansend1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {
chansend(c, elem, true, getcallerpc())
}
我们可以来分段分析chansend函数的实现逻辑。
第一部分:
主要是对chan进行判断，判断chan是否为nil，若为nil，则判断是否需要将当前goroutine进行阻塞，阻塞通过gopark来对调用者goroutine park(阻塞休眠)。
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
// 第一部分
if c == nil { // 判断chan是否为nil
if !block { // 判断是否需要阻塞当前goroutine
return false
}
// 调用这goroutine park，进行阻塞休眠
gopark(nil, nil, waitReasonChanSendNilChan, traceEvGoStop, 2)
throw("unreachable")
}
...
}
第二部分
第二部分的逻辑判断是当你往一个容量已满的chan实例发送数据，且不想当前调用的goroutine被阻塞时（chan未被关闭），那么处理的逻辑是直接返回。
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
...
// 第二部分
if !block && c.closed == 0 && full(c) {
return false
}
...
}
第三部分
第三部分的逻辑判断是首先进行互斥锁加锁，然后判断当前chan是否关闭，如果chan已经被close了，则释放互斥锁并panic，即对已关闭的chan发送数据会panic。
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
...
// 第三部分
lock(&c.lock) // 开始加锁
if c.closed != 0 { // 判断channel是否关闭
unlock(&c.lock)
panic(plainError("send on closed channel"))
}
...
}
第四部分
第四部分的逻辑主要是判断接收队列中是否有正在等待的接收方receiver。如果存在正在等待的receiver（说明此时buf中没有缓存的数据），则将他从接收队列中弹出，直接将需要发送到channel的数据交给这个receiver，而无需放入到buf中，让发送操作速度更快一些。
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
...
// 第四部分
if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {
// 找到了一个正在等待的接收者。我们传递我们想要发送的值
// 直接传递给receiver接收者，绕过channel buf缓存区(如果receiver有的话)
send(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
return true
}
...
}
第五部分
当等待队列中并没有正在等待的receiver，则说明当前buf还没有满，此时将发送的数据放入到buf中。
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
...
// 第五部分
if c.qcount < c.dataqsiz { // 判断buf是否满了
// channel buf还有可用的空间. 将发送数据入buf循环队列.
qp := chanbuf(c, c.sendx)
if raceenabled {
racenotify(c, c.sendx, nil)
}
typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)
c.sendx++
if c.sendx == c.dataqsiz {
c.sendx = 0
}
c.qcount++
unlock(&c.lock)
return true
}
...
}
第六部分
当逻辑走到第六部分，说明正在处理buf已满的情况。如果buf已满，则发送操作的goroutine就会加入到发送者的等待队列，直到被唤醒。当goroutine被唤醒时，数据或者被取走了，或者chan已经被关闭了。
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
...
// 第六部分
// chansend1函数调用不会进入if块里，因为chansend1的block=true
if !block {
unlock(&c.lock)
return false
}
...
c.sendq.enqueue(mysg) // 加入发送队列
...
gopark(chanpark***mit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanSend, traceEvGoBlockSend, 2) // 阻塞
...
}
4、recv接收操作
从channel中接收数据时，Go会将代码转换成chanrecv1函数。如果需要返回两个返回值，则会转换成chanrecv2，chanrecv1函数和chanrecv2都会调用chanrecv函数。chanrecv1和chanrecv2传入的 block参数的值是true，两种调用都是阻塞方式，因此在分析chanrecv函数的实现时，可以不考虑 block=false的情况。
// 从已编译代码中进入 <-c 的入口点
func chanrecv1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {
chanrecv(c, elem, true)
}
func chanrecv2(c *hchan, elem unsafe.Pointer) (received bool) {
_, received = chanrecv(c, elem, true)
return
}
同样，省略一些检查类的代码，我们也可以分段分析chanrecv函数的逻辑。
第一部分
第一部分主要判断当前进行接收操作的chan实例是否为nil，若为nil，则从nil chan中接收数据的调用这goroutine会被阻塞。
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
...
// 第一部分
if c == nil { // 判断chan是否为nil
if !block { // 是否阻塞，默认为block=true
return
}
// 进行阻塞
gopark(nil, nil, waitReasonChanReceiveNilChan, traceEvGoStop, 2)
throw("unreachable")
}
...
}
第二部分
这一部分只要是考虑block=false且c为空的情况，block=false的情况我们可以不做考虑。
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
...
// 检查未获得锁的失败非阻塞操作。
if !block && empty(c) {
...
}
...
}
第三部分
第三部分的逻辑为判断当前chan是否被关闭，若当前chan已经被close了，并且缓存队列中没有缓冲的元素时，返回true、false。
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
...
lock(&c.lock) // 加锁，返回时释放锁
// 第三部分
if c.closed != 0 { // 当chan已被关闭时
if c.qcount == 0 { // 且 buf区 没有缓存的数据了
...
unlock(&c.lock) // 解锁
if ep != nil {
typedmemclr(c.elemtype, ep)
}
return true, false
}
}
...
}
第四部分
第四部分是处理通道未关闭且buf缓存队列已满的情况。只有当缓存队列已满时，才能够从发送等待队列获取到sender。若当前的chan为unbuffer的chan，即无缓冲区channel时，则直接将sender的发送数据传递给receiver。否则就从缓存队列的头部读取一个元素值，并将获取的sender携带的值加入到buf循环队列的尾部。
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
...
if c.closed != 0 { // 当chan已被关闭时
} else { // 第四部分，通道未关闭
// 如果sendq队列中有等待发送的sender
if sg := c.sendq.dequeue(); sg != nil {
// 存在正在等待的sender，如果缓存区的容量为0则直接将发送方的值传递给接收方
// 反之，则从缓存队列的头部获取数据，并将获取的sender的发送值加入到缓存队列尾部
recv(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
return true, true
}
}
...
}
第五部分
第五部分的主要逻辑是处理发送队列中没有等待的sender且buf中有缓存的数据。该段逻辑与外出的互斥锁共用一把锁，因此不存在并发问题。当buf缓存区有缓存元素时，则取出该元素传递给receiver，同时移动接收指针。
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
...
// 第五部分
if c.qcount > 0 { // 发送队列中没有等待的sender，且buf中有缓存数据
// 直接从缓存队列中获取数据
qp := chanbuf(c, c.recvx)
if raceenabled {
racenotify(c, c.recvx, nil)
}
if ep != nil {
typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
}
typedmemclr(c.elemtype, qp)
c.recvx++ // 移动接收指针
if c.recvx == c.dataqsiz { // 指针若已到末尾则进行重置(循环队列)
c.recvx = 0
}
c.qcount-- // 获取数据后，buf缓存区元素个数减一
unlock(&c.lock) // 解锁
return true, true
}
if !block { // block=true
unlock(&c.lock)
return false, false
}
...
}
第六部分
第六部分的逻辑主要是处理buf缓存区中没有缓存数据的情况。当buf缓存区没有缓存数据时，那么当前的receiver就会被阻塞，直到它从sender中接收了数据，或者是chan被close，才会返回。
func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
...
c.recvq.enqueue(mysg) // 将当前接收操作入接收队列
...
// 进行阻塞，等待唤醒
gopark(chanpark***mit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanReceive, traceEvGoBlockRecv, 2)
...
}
5、close关闭
close函数主要用于channel的关闭，Go编译器会替换成closechan函数的调用。省略一些检查下的代码后，closechan函数的主要逻辑如下：
- 如果当前
chan为nil，则直接panic - 如果当前
chan已关闭，再次close则直接panic - 如果
chan不为nil，chan也没有closed，就把等待队列中的sender（writer）和receiver（reader）从队列中全部移除并唤醒。
func closechan(c *hchan) {
if c == nil { // 若当前chan未nil，则直接panic
panic(plainError("close of nil channel"))
}
lock(&c.lock) // 加锁
if c.closed != 0 { // 若当前chan已经关闭，则直接panic
unlock(&c.lock)
panic(plainError("close of closed channel"))
}
...
c.closed = 1 // 设置当前channel的状态为已关闭
var glist gList
// 释放接收队列中所有的reader
for {
sg := c.recvq.dequeue()
if sg == nil {
break
}
if sg.elem != nil {
typedmemclr(c.elemtype, sg.elem)
sg.elem = nil
}
if sg.releasetime != 0 {
sg.releasetime = cputicks()
}
gp := sg.g
gp.param = unsafe.Pointer(sg)
sg.su***ess = false
if raceenabled {
raceacquireg(gp, c.raceaddr())
}
glist.push(gp)
}
// 释放发送队列中所有的writer (它们会panic)
for {
sg := c.sendq.dequeue()
if sg == nil {
break
}
sg.elem = nil
if sg.releasetime != 0 {
sg.releasetime = cputicks()
}
gp := sg.g
gp.param = unsafe.Pointer(sg)
sg.su***ess = false
if raceenabled {
raceacquireg(gp, c.raceaddr())
}
glist.push(gp)
}
unlock(&c.lock)
for !glist.empty() {
gp := glist.pop()
gp.schedlink = 0
goready(gp, 3)
}
}
三、总结
通过学习channel的基本使用，了解其操作背后的实现原理，可以帮助我们更好的使用channel，避免一些操作不当而导致的panic或者说是bug，让我们在使用channel时能够更加的得心应手。
channel的值和状态有多种情况，而不同的操作（send、recv、close）又可能得到不同的结果，这是使用 channel 类型时需要经常注意的点，我们可以将不同channel值下的不同操作进行一个总结，特别注意操作channel时会产生panic的情况，已经可能会导致线程阻塞的情况，都是有可能导致死锁与goroutine泄漏的罪魁祸首。
| channel执行操作\channel状态 | channel为nil | channel buf为空 | channel buf已满 | channel buf未满且不为空 | channel已关闭 |
|---|---|---|---|---|---|
receive接收操作 |
阻塞 | 阻塞 | 读取数据 | 读取数据 | 返回buf中缓存的数据 |
send发送操作 |
阻塞 | 写入数据 | 阻塞 | 写入数据 | panic |
close关闭 |
panic | 关闭channel，buf中没有缓存数据 | 关闭channel，保留已缓存的数据 | 关闭channel，保留已缓存的数据 | panic |
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