详解Gochannel管道的运行原理

2023-05-19 08:05:27 原理 管道 详解

前言

Go推荐通过通信来共享内存，而channel就实现了这一理念。那channel是怎么运行的呢？

功能

举个例子看下channel的使用效果：

package main

import (
   "fmt"
   "math/rand"
   "time"
)

func write(c chan int) {
   for {
      num := rand.Intn(100)
      c <- num
   }
}

func read(c chan int) {
   for {
      num := <-c
      fmt.Println("读取管道的随机数：", num)
      time.Sleep(time.Second)
   }
}

func main() {
   var c = make(chan int, 8)
   go read(c)
   for i := 0; i < 5; i++ {
      go write(c)
   }
   time.Sleep(time.Minute)
}

以上代码新建了一个缓冲区为8的管道，然后开启read和五个write读写协程。写协程写入一个随机数，读协程每隔一秒读取并打印，效果如下：

说明协程间可以通过管道来互相通信。接着了解下channel的结构。

channel结构

channel结构体位于GOROOT/src/runtime/chan.go下的hchan，源码如下：

type hchan struct {
   qcount   uint           // 队列中元素总数
   dataqsiz uint           // 环型队列大小
   buf      unsafe.Pointer // 指向dataqsize的数组（即缓冲区）
   elemsize uint16 
   closed   uint32
   elemtype *_type        // 元素类型
   sendx    uint             // 发送到缓冲区的位置索引
   recvx    uint             // 接收到缓冲区的位置索引
   recvq    waitq           // 接收者队列
   sendq    waitq          // 发送者队列

   lock mutex // 锁，用于保护channel数据
}

其中发送者和接收者队列是一个waitq类型，具体如下：

type waitq struct {
   first *sudog
   last  *sudog
}

waitq里有队头first，队尾last的指针，指向sudog结构体。

也就是说，waitq是一个列表队列，队列里每个元素都是一个sudog结构体，sudog中包装着一个协程。

解析一个hchan各部分结构：

  • 头部
type hchan struct {
   qcount   uint           // 队列中元素总数
   dataqsiz uint           // 环型队列大小
   buf      unsafe.Pointer // 指向dataqsize的数组（即缓冲区）
   elemsize uint16 
   closed   uint32
   elemtype *_type        // 元素类型
   ...
}

这部分表示一个环型缓冲区。图解如下：

  • 尾部
type hchan struct {
   ...
   sendx    uint             // 发送到缓冲区的位置索引
   recvx    uint             // 接收到缓冲区的位置索引
   recvq    waitq           // 接收者队列
   sendq    waitq          // 发送者队列
   ...
}

这部分把协程分为两个身份，使用chan <- 语法的协程为发送者，使用<- chan 语法的协程为接收者，并放到各自队列中。图解如下：

结合示例代码。运行结构如下：

由于写协程一直写，读协程每隔一秒才读一次，因此很快将缓冲区写满了，这时：

  • 写协程被装入sudog进行休眠等待
  • 读协程每隔一秒从缓冲区读取数据

运行原理

使用chan <- 为发送者，对发送者来说：

  • 先查看是否有接收者，有则优先唤醒并拷贝数据给接收者，然后结束
  • 无接收者再查看缓冲区，数据未满则将数据放入缓冲区，然后结束
  • 缓冲区也满了，则封装成sudog，休眠等待

使用<- chan 为接收者，对接收者来说：

  • 优先接收缓冲区的值
  • 再接收发送者的值
  • 否则休眠等待

思考下：

有休眠的接收者，且缓冲区数据已满的情况是否存在？为什么？

有休眠的发送者，且缓冲区为空的情况是否存在？为什么？

以上答案：

有休眠的接收者，缓冲区不会出现数据已满情况。因为接收者要休眠，得缓冲区没数据才行。

有休眠的发送者，缓冲区不会出现为空情况。因为发送者要休眠，得缓冲区数据已满才行。

源码分析

使用chan <-后，会调用GOROOT\src\runtime\chan.go下的chansend1方法

func chansend1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {
   chansend(c, elem, true, getcallerpc())
}

然后调用chansend方法

func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
   ...
   lock(&c.lock)

   if c.closed != 0 {
      unlock(&c.lock)
      panic(plainError("send on closed channel"))
   }

   // 尝试接收者队列出队，若有接收者，则直接拷贝数据给接收者
   if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {
      send(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
      return true
   }

   // 判断缓冲区是否还有空余
   if c.qcount < c.dataqsiz {
      // Space is available in the channel buffer. Enqueue the element to send.
      qp := chanbuf(c, c.sendx) // 有的话获得缓冲区要存放数据的地址
      if raceenabled {
         racenotify(c, c.sendx, nil)
      }
      typedmemmove(c.elemtype, qp, ep) // 将数据拷贝到缓冲区扩容地址qp上
      c.sendx++
      if c.sendx == c.dataqsiz {
         c.sendx = 0
      }
      c.qcount++
      unlock(&c.lock)
      return true
   }

   ...
   
   // 否则封装成sodug休眠自己，加入发送者等待队列
   gp := getg()
   mysg := acquireSudog()
   mysg.releasetime = 0
   if t0 != 0 {
      mysg.releasetime = -1
   }
   // No stack splits between assigning elem and enqueuing mysg
   // on gp.waiting where copystack can find it.
   mysg.elem = ep
   mysg.waitlink = nil
   mysg.g = gp
   mysg.isSelect = false
   mysg.c = c
   gp.waiting = mysg
   gp.param = nil
   c.sendq.enqueue(mysg)
   // Signal to anyone trying to shrink our stack that we're about
   // to park on a channel. The window between when this G's status
   // changes and when we set gp.activeStackChans is not safe for
   // stack shrinking.
   gp.parkingOnChan.Store(true)
   
   // 主动挂起
   gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanSend, traceEvGoBlockSend, 2)
   ...
   
   // 被唤醒后释放sudog
   gp.waiting = nil
   gp.activeStackChans = false
   closed := !mysg.success
   gp.param = nil
   if mysg.releasetime > 0 {
      blockevent(mysg.releasetime-t0, 2)
   }
   mysg.c = nil
   releaseSudog(mysg) // 释放sudog
   if closed {
      if c.closed == 0 {
         throw("chansend: spurious wakeup")
      }
      panic(plainError("send on closed channel"))
   }
   return true
}

使用<- chan后，会调用GOROOT\src\runtime\chan.go下的chanrecv1方法

func chanrecv1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {
   chanrecv(c, elem, true)
}

然后调用chanrecv方法

func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
   ...
   
   lock(&c.lock)

   if c.closed != 0 {
      if c.qcount == 0 {
         if raceenabled {
            raceacquire(c.raceaddr())
         }
         unlock(&c.lock)
         if ep != nil {
            typedmemclr(c.elemtype, ep)
         }
         return true, false
      }
      // The channel has been closed, but the channel's buffer have data.
   } else {
      // 如果有发送者在休眠，则调用recv
      if sg := c.sendq.dequeue(); sg != nil {
         recv(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
         return true, true
      }
   }

   // 无发送者，但缓冲区有数据
   if c.qcount > 0 {
      // Receive directly from queue
      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++
      if c.recvx == c.dataqsiz {
         c.recvx = 0
      }
      c.qcount--
      unlock(&c.lock)
      return true, true
   }

   if !block {
      unlock(&c.lock)
      return false, false
   }

   // 休眠自己
   gp := getg()
   mysg := acquireSudog()
   mysg.releasetime = 0
   if t0 != 0 {
      mysg.releasetime = -1
   }
   // No stack splits between assigning elem and enqueuing mysg
   // on gp.waiting where copystack can find it.
   mysg.elem = ep
   mysg.waitlink = nil
   gp.waiting = mysg
   mysg.g = gp
   mysg.isSelect = false
   mysg.c = c
   gp.param = nil
   c.recvq.enqueue(mysg) // 封装成sudog入队
 
   gp.parkingOnChan.Store(true)
   
   // 主动挂起
   gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanReceive, traceEvGoBlockRecv, 2) 

   // 被唤醒后释放sudog
   if mysg != gp.waiting {
      throw("G waiting list is corrupted")
   }
   gp.waiting = nil
   gp.activeStackChans = false
   if mysg.releasetime > 0 {
      blockevent(mysg.releasetime-t0, 2)
   }
   success := mysg.success
   gp.param = nil
   mysg.c = nil
   releaseSudog(mysg)
   return true, success
}

当有发送者，会调用recv

func recv(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
   if c.dataqsiz == 0 {
      if raceenabled {
         racesync(c, sg)
      }
      if ep != nil {
         // copy data from sender
         recvDirect(c.elemtype, sg, ep)
      }
   } else {
      // 获取缓冲区数据的位置
      qp := chanbuf(c, c.recvx)
      if raceenabled {
         racenotify(c, c.recvx, nil)
         racenotify(c, c.recvx, sg)
      }
      // copy data from queue to receiver
      if ep != nil {
         // 将缓冲区数据拷贝到
         typedmemmove(c.elemtype, ep, qp) 
      }
      // 将发送者的数据拷贝到缓冲区
      typedmemmove(c.elemtype, qp, sg.elem)
      c.recvx++
      if c.recvx == c.dataqsiz {
         c.recvx = 0
      }
      c.sendx = c.recvx // c.sendx = (c.sendx+1) % c.dataqsiz
   }
   sg.elem = nil
   gp := sg.g
   unlockf()
   gp.param = unsafe.Pointer(sg)
   sg.success = true
   if sg.releasetime != 0 {
      sg.releasetime = cputicks()
   }
   goready(gp, skip+1) // 唤醒发送者协程
}

因此，接收者还是先接收缓冲区数据，再接收发送者的数据。其实就是按队列的先进先出顺序。

总结

留下两个问题：

发送者分别遇到无有休眠接收协程，有休眠接收协程，无接收协程且缓冲区没满，缓冲区满了四种情况该如何处理？

接收者分别遇到无休眠发送协程且缓冲区为空，无发送协程且缓冲区有数据，有休眠发送协程且缓冲区已满，缓冲区满了四种情况该如何处理？

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