1. 前言

channel是Golang在语言层面提供的goroutine间的通信方式，比Unix管道更易用也更轻便。channel主要用于进程内各goroutine间通信，如果需要跨进程通信，建议使用分布式系统的方法来解决。

本章从源码角度分析channel的实现机制，实际上这部分源码非常简单易读。

2. chan数据结构

src/runtime/chan.go:hchan定义了channel的数据结构：

  1. type hchan struct {
  2.     qcount   uint           // 当前队列中剩余元素个数
  3.     dataqsiz uint           // 环形队列长度，即可以存放的元素个数
  4.     buf      unsafe.Pointer // 环形队列指针
  5.     elemsize uint16         // 每个元素的大小
  6.     closed   uint32            // 标识关闭状态
  7.     elemtype *_type         // 元素类型
  8.     sendx    uint           // 队列下标，指示元素写入时存放到队列中的位置
  9.     recvx    uint           // 队列下标，指示元素从队列的该位置读出
  10.     recvq    waitq          // 等待读消息的goroutine队列
  11.     sendq    waitq          // 等待写消息的goroutine队列
  12.     lock mutex              // 互斥锁，chan不允许并发读写
  13. }

从数据结构可以看出channel由队列、类型信息、goroutine等待队列组成，下面分别说明其原理。

2.1 环形队列

chan内部实现了一个环形队列作为其缓冲区，队列的长度是创建chan时指定的。

下图展示了一个可缓存6个元素的channel示意图：

1.1 chan - 图1

  • dataqsiz指示了队列长度为6，即可缓存6个元素；
  • buf指向队列的内存，队列中还剩余两个元素；
  • qcount表示队列中还有两个元素；
  • sendx指示后续写入的数据存储的位置，取值[0, 6)；
  • recvx指示从该位置读取数据, 取值[0, 6)；

2.2 等待队列

从channel读数据，如果channel缓冲区为空或者没有缓冲区，当前goroutine会被阻塞。向channel写数据，如果channel缓冲区已满或者没有缓冲区，当前goroutine会被阻塞。

被阻塞的goroutine将会挂在channel的等待队列中：

  • 因读阻塞的goroutine会被向channel写入数据的goroutine唤醒；
  • 因写阻塞的goroutine会被从channel读数据的goroutine唤醒；

下图展示了一个没有缓冲区的channel，有几个goroutine阻塞等待读数据：

1.1 chan - 图2

注意，一般情况下recvq和sendq至少有一个为空。只有一个例外，那就是同一个goroutine使用select语句向channel一边写数据，一边读数据。

2.3 类型信息

一个channel只能传递一种类型的值，类型信息存储在hchan数据结构中。

  • elemtype代表类型，用于数据传递过程中的赋值；
  • elemsize代表类型大小，用于在buf中定位元素位置。

2.4 锁

一个channel同时仅允许被一个goroutine读写，为简单起见，本章后续部分说明读写过程时不再涉及加锁和解锁。

3. channel读写

3.1 创建channel

创建channel的过程实际上是初始化hchan结构。其中类型信息和缓冲区长度由make语句传入，buf的大小则与元素大小和缓冲区长度共同决定。

创建channel的伪代码如下所示：

  1. func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
  2.     var c *hchan
  3.     c = new(hchan)
  4.     c.buf = malloc(元素类型大小*size)
  5.     c.elemsize = 元素类型大小
  6.     c.elemtype = 元素类型
  7.     c.dataqsiz = size
  9.     return c
  10. }

3.2 向channel写数据

向一个channel中写数据简单过程如下：

  1. 如果等待接收队列recvq不为空，说明缓冲区中没有数据或者没有缓冲区，此时直接从recvq取出G,并把数据写入，最后把该G唤醒，结束发送过程；
  2. 如果缓冲区中有空余位置，将数据写入缓冲区，结束发送过程；
  3. 如果缓冲区中没有空余位置，将待发送数据写入G，将当前G加入sendq，进入睡眠，等待被读goroutine唤醒；

简单流程图如下：

1.1 chan - 图3

3.3 从channel读数据

从一个channel读数据简单过程如下：

  1. 如果等待发送队列sendq不为空，且没有缓冲区，直接从sendq中取出G，把G中数据读出，最后把G唤醒，结束读取过程；
  2. 如果等待发送队列sendq不为空，此时说明缓冲区已满，从缓冲区中首部读出数据，把G中数据写入缓冲区尾部，把G唤醒，结束读取过程；
  3. 如果缓冲区中有数据，则从缓冲区取出数据，结束读取过程；
  4. 将当前goroutine加入recvq，进入睡眠，等待被写goroutine唤醒；

简单流程图如下：

1.1 chan - 图4

3.4 关闭channel

关闭channel时会把recvq中的G全部唤醒，本该写入G的数据位置为nil。把sendq中的G全部唤醒，但这些G会panic。

除此之外，panic出现的常见场景还有：

  1. 关闭值为nil的channel
  2. 关闭已经被关闭的channel
  3. 向已经关闭的channel写数据

4. 常见用法

4.1 单向channel

顾名思义，单向channel指只能用于发送或接收数据，实际上也没有单向channel。

我们知道channel可以通过参数传递，所谓单向channel只是对channel的一种使用限制，这跟C语言使用const修饰函数参数为只读是一个道理。

  • func readChan(chanName <-chan int)： 通过形参限定函数内部只能从channel中读取数据
  • func writeChan(chanName chan<- int)： 通过形参限定函数内部只能向channel中写入数据

一个简单的示例程序如下：

  1. func readChan(chanName <-chan int) {
  2.     <- chanName
  3. }
  5. func writeChan(chanName chan<- int) {
  6.     chanName <- 1
  7. }
  9. func main() {
  10.     var mychan = make(chan int, 10)
  12.     writeChan(mychan)
  13.     readChan(mychan)
  14. }

mychan是个正常的channel，而readChan()参数限制了传入的channel只能用来读，writeChan()参数限制了传入的channel只能用来写。

4.2 select

使用select可以监控多channel，比如监控多个channel，当其中某一个channel有数据时，就从其读出数据。

一个简单的示例程序如下：

  1. package main
  3. import (
  4.     "fmt"
  5.     "time"
  6. )
  8. func addNumberToChan(chanName chan int) {
  9.     for {
  10.         chanName <- 1
  11.         time.Sleep(1 * time.Second)
  12.     }
  13. }
  15. func main() {
  16.     var chan1 = make(chan int, 10)
  17.     var chan2 = make(chan int, 10)
  19.     go addNumberToChan(chan1)
  20.     go addNumberToChan(chan2)
  22.     for {
  23.         select {
  24.         case e := <- chan1 :
  25.             fmt.Printf("Get element from chan1: %d\n", e)
  26.         case e := <- chan2 :
  27.             fmt.Printf("Get element from chan2: %d\n", e)
  28.         default:
  29.             fmt.Printf("No element in chan1 and chan2.\n")
  30.             time.Sleep(1 * time.Second)
  31.         }
  32.     }
  33. }

程序中创建两个channel： chan1和chan2。函数addNumberToChan()函数会向两个channel中周期性写入数据。通过select可以监控两个channel，任意一个可读时就从其中读出数据。

程序输出如下：

  1. D:\SourceCode\GoExpert\src>go run main.go
  2. Get element from chan1: 1
  3. Get element from chan2: 1
  4. No element in chan1 and chan2.
  5. Get element from chan2: 1
  6. Get element from chan1: 1
  7. No element in chan1 and chan2.
  8. Get element from chan2: 1
  9. Get element from chan1: 1
  10. No element in chan1 and chan2.

从输出可见，从channel中读出数据的顺序是随机的，事实上select语句的多个case执行顺序是随机的，关于select的实现原理会有专门章节分析。

通过这个示例想说的是：select的case语句读channel不会阻塞，尽管channel中没有数据。这是由于case语句编译后调用读channel时会明确传入不阻塞的参数，此时读不到数据时不会将当前goroutine加入到等待队列，而是直接返回。

4.3 range

通过range可以持续从channel中读出数据，好像在遍历一个数组一样，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。

  1. func chanRange(chanName chan int) {
  2.     for e := range chanName {
  3.         fmt.Printf("Get element from chan: %d\n", e)
  4.     }
  5. }

注意：如果向此channel写数据的goroutine退出时，系统检测到这种情况后会panic，否则range将会永久阻塞。