Go channel

设计原理

Go 语言中最常见的、也是经常被人提及的设计模式就是：不要通过共享内存的方式进行通信，而是应该通过通信的方式共享内存。在很多主流的编程语言中，多个线程传递数据的方式一般都是共享内存，为了解决线程竞争，我们需要限制同一时间能够读写这些变量的线程数量，然而这与 Go 语言鼓励的设计并不相同。

type hchan struct {
	qcount   uint
	dataqsiz uint
	buf      unsafe.Pointer
	elemsize uint16
	closed   uint32
	elemtype *_type
	sendx    uint
	recvx    uint
	recvq    waitq
	sendq    waitq

	lock mutex
}

type waitq struct {
	first *sudog
	last  *sudog
}

• qcount — Channel 中的元素个数；
• dataqsiz — Channel 中的循环队列的长度；
• buf — Channel 的缓冲区数据指针；
• sendx — Channel 的发送操作处理到的位置；
• recvx — Channel 的接收操作处理到的位置；
• sendq 和 recvq 存储了当前 Channel 由于缓冲区空间不足而阻塞的 Goroutine 列表，这些等待队列使用双向链表runtime.waitq表示;

发送数据 ch <- i

在发送数据的逻辑执行之前会先为当前 Channel 加锁，防止多个线程并发修改数据。如果 Channel 已经关闭，那么向该 Channel 发送数据时会报 “send on closed channel” 错误并中止程序。

• 当存在等待的接收者时，通过 runtime.send 直接将数据发送给阻塞的接收者；
  • 调用runtime.sendDirect将发送的数据直接拷贝到 x = <-c 表达式中变量 x 所在的内存地址上；
  • 调用runtime.goready将等待接收数据的 Goroutine 标记成可运行状态 Grunnable 并把该 Goroutine 放到发送方所在的处理器的 runnext 上等待执行，该处理器在下一次调度时会立刻唤醒数据的接收方；
• 当缓冲区存在空余空间时，将发送的数据写入 Channel 的缓冲区；
  • 使用runtime.chanbuf计算出下一个可以存储数据的位置，然后通过runtime.typedmemmove将发送的数据拷贝到缓冲区中并增加 sendx 索引和 qcount 计数器。
• 当不存在缓冲区或者缓冲区已满时，等待其他 Goroutine 从 Channel 接收数据；

接收数据 i <- ch

如果当前 Channel 已经被关闭并且缓冲区中不存在任何数据，那么会清除ep指针中的数据并立刻返回。

• 当存在等待的发送者时，通过runtime.recv从阻塞的发送者或者缓冲区中获取数据;
  • 如果 Channel 不存在缓冲区；
    • 调用runtime.recvDirect将 Channel 发送队列中 Goroutine 存储的elem数据拷贝到目标内存地址中；
  • 如果 Channel 存在缓冲区；
    • 将队列中的数据拷贝到接收方的内存地址；
    • 将发送队列头的数据拷贝到缓冲区中，释放一个阻塞的发送方；
  • 无论发生哪种情况，运行时都会调用runtime.goready将当前处理器的runnext设置成发送数据的 Goroutine，在调度器下一次调度时将阻塞的发送方唤醒。
• 当缓冲区存在数据时，从 Channel 的缓冲区中接收数据；
  • 当 Channel 的缓冲区中已经包含数据时，从 Channel 中接收数据会直接从缓冲区中recvx的索引位置中取出数据进行处理
• 当缓冲区中不存在数据时，等待其他 Goroutine 向 Channel 发送数据；
  • 在正常的接收场景中，我们会使用runtime.sudog将当前 Goroutine 包装成一个处于等待状态的 Goroutine 并将其加入到接收队列中。
  • 完成入队之后，上述代码还会调用runtime.goparkunlock立刻触发 Goroutine 的调度，让出处理器的使用权并等待调度器的调度。

关闭管道

当Channel是一个空指针或者已经被关闭时，Go语言运行时都会直接崩溃并抛出异常;

将recvq和sendq两个队列中的数据加入到 Goroutine 列表gList中，与此同时该函数会清除所有runtime.sudog`上未被处理的元素.

该函数在最后会为所有被阻塞的 Goroutine 调用runtime.goready触发调度。