?GO 中 Chan 实现原理分享
2021/7/12 13:05:48
本文主要是介绍?GO 中 Chan 实现原理分享,对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!
GO 中 Chan 实现原理分享
嗨,我是小魔童哪吒,还记得咱们之前分享过GO 通道 和sync包的使用吗?咱们来回顾一下
-
分享了通道是什么,通道的种类
-
无缓冲,有缓冲,单向通道具体对应什么
-
对于通道的具体实践
-
分享了关于通道的异常情况整理
-
简单分享了sync包的使用
要是对上述内容还有点兴趣的话,欢迎查看文章 GO通道和 sync 包的分享
chan 是什么?
是一种特殊的类型,是连接并发goroutine
的管道
channel 通道是可以让一个 goroutine 协程发送特定值到另一个 goroutine 协程的通信机制。
通道像一个传送带或者队列,总是遵循先入先出(First In First Out)的规则,保证收发数据的顺序,这一点和管道是一样的
一个协程从通道的一头放入数据,另一个协程从通道的另一头读出数据
每一个通道都是一个具体类型的导管,声明 channel 的时候需要为其指定元素类型。
本篇文章主要是分享关于通道的实现原理,关于通道的使用,可以查看文章 GO通道和 sync 包的分享 ,这里有详细的说明
GO 中 Chan 的底层数据结构
了解每一个组件或者每一个数据类型的实现原理,咱们都会去看源码中的数据结构是如何设计的
同样,我们一起来看看 GO 的 Chan 的数据结构
GO 的 Chan 的源码实现是在 :src/runtime/chan.go
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 }
hchan
是实现通道的核心数据结构,对应的成员也是不少,咱们根据源码注释一个参数一个参数的来看看
tag | 说明 |
---|---|
qcount | 当前的队列,剩余元素个数 |
dataqsiz | 环形队列可以存放的元素个数,也就是环形队列的长度 |
buf | 指针,指向环形队列 |
elemsize | 指的的队列中每个元素的大小 |
closed | 具体标识关闭的状态 |
elemtype | 见名知意,元素的类型 |
sendx | 发送队列的下标,向队列中写入数据的时候,存放在队列中的位置 |
recvx | 接受队列的下标,从队列的 这个位置开始读取数据 |
recvq | 协程队列,等待读取消息的协程队列 |
sendq | 协程队列,等待发送消息的协程队列 |
lock | 互斥锁,在 chan 中,不可以并发的读写数据 |
根据上面的参数,我们或多或少就可以知道 GO 中的通道实现原理设计了哪些知识点:
-
指针
-
环形队列
-
协程
-
互斥锁
我们顺便再来看看上述成员的协程队列 waitq
对应的是啥样的数据结构
type waitq struct { first *sudog last *sudog }
sudog
结构是在 src/runtime/runtime2.go
中 ,咱们顺便多学一手
// sudog represents a g in a wait list, such as for sending/receiving // on a channel. type sudog struct { // The following fields are protected by the hchan.lock of the // channel this sudog is blocking on. shrinkstack depends on // this for sudogs involved in channel ops. g *g next *sudog prev *sudog elem unsafe.Pointer // data element (may point to stack) // The following fields are never accessed concurrently. // For channels, waitlink is only accessed by g. // For semaphores, all fields (including the ones above) // are only accessed when holding a semaRoot lock. acquiretime int64 releasetime int64 ticket uint32 // isSelect indicates g is participating in a select, so // g.selectDone must be CAS'd to win the wake-up race. isSelect bool // success indicates whether communication over channel c // succeeded. It is true if the goroutine was awoken because a // value was delivered over channel c, and false if awoken // because c was closed. success bool parent *sudog // semaRoot binary tree waitlink *sudog // g.waiting list or semaRoot waittail *sudog // semaRoot c *hchan // channel }
根据源码注释,咱们大致知道sudog
是干啥的
Sudog
表示等待列表中的 g,例如在一个通道上发送/接收
Sudog
是很必要的,因为g↔synchronization对象关系是多对多
一个 g 可能在很多等候队列上,所以一个 g 可能有很多sudogs
而且许多 g 可能在等待同一个同步对象,所以一个对象可能有许多sudogs
咱们抓住主要矛盾
Sudog
的数据结构,主要的东西就是一个 g
和一个 elem
,
g,上面有说到他和 Sudog
的对应关系
无论是读通道还是写通道,都会需要 elem
- 读通道
数据会从hchan
的队列中,拷贝到sudog
的elem
中
- 写通道
与读通道类似,是将数据从 sudog
的elem
处拷贝到hchan
的队列中
咱们来画个图看看
此处咱们画一个 hchan
的结构,主要画一下 recvq
等待读取消息的协程队列,此处的队列,实际上就是用链表来实现的
recvq
会对应到 waitq
结构,waitq
分为first
头结点 和 last
尾节点 结构分别是 sudog
sudog
里面 elem存放具体的数据,next 指针指向下一个 sudog
,直到指到last
的 sudog
通过上述的,应该就能明白 GO 中的 chan
基本结构了吧
咱来再来详细看看 hchan
中其他参数都具体是啥意思
-
dataqsiz
对应的环形队列是啥样的 -
写
sendq
和 读recvq
等待队列是啥样的 -
elemtype
元素类型信息又是啥
dataqsiz
对应的环形队列是啥样的
环形队列,故名思议就是 一个首尾连接,成环状的队列
GO 中的 chan
内部的环形队列,主要作用是作为缓冲区
这个环形队列的长度,我们在创建队列的时候, 也就是创建 hchan
结构的时候,就已经指定好了的
就是 dataqsiz
,环形队列的长度
咱们画个图清醒一下
上图需要表达的意思是这个样子的,上述的队列是循环队列,默认首尾连接哦:
-
dataqsiz 表示 循环队列的长度是 8 个
-
qcount 表示 当前队列中有 5 个元素
-
buf 是指针,指向循环队列头
-
sendx 是发送队列的下标,这里为 1 ,则指向队列的第 2 个区域 ,这个参数可选范围是 [0 , 8)
-
recvx 是接收队列的下标,这里为 4 ,则指向的是 队列的第 5 个区域进行读取数据
这里顺带提一下,hchan
中读取数据还是写入数据,都是需要去拿 lock
互斥锁的,同一个通道,在同一个时刻只能允许一个协程进行读写
写 sendq
和 读 recvq
等待队列是啥样的
hchan
结构中的 2 个协程队列,一个是用于读取数据,一个是用于发送数据,他们都是等待队列,我们来看看这个等待队列都是咋放数据上去的,分别有啥特性需要注意
当从通道中读取 或者 发送数据:
-
若通道的缓冲区为空,或者没有缓冲区,此时从通道中读取数据,则协程是会被阻塞的
-
若通道缓冲区为满,或者没有缓冲区,此时从通道中写数据,则协程仍然也会被阻塞
这些被阻塞的协程就会被放到等待队列中,按照读 和 写 的动作来进行分类为写 sendq
和 读 recvq
队列
那么这些阻塞的协程,啥时候会被唤醒呢?
看过之前的文章 GO通道和 sync 包的分享,应该就能知道
我们在来回顾一下,这篇文章的表格,通道会存在的异常情况:
channel 状态 | 未初始化的通道(nil) | 通道非空 | 通道是空的 | 通道满了 | 通道未满 |
---|---|---|---|---|---|
接收数据 | 阻塞 |
接收数据 | 阻塞 |
接收数据 | 接收数据 |
发送数据 | 阻塞 |
发送数据 | 发送数据 | 阻塞 |
发送数据 |
关闭 | panic | 关闭通道成功 |
待数据读取完毕后
返回零值 | 关闭通道成功
直接返回零值 | 关闭通道成功
待数据读取完毕后
返回零值 | 关闭通道成功
待数据读取完毕后
返回零值 |
此时,我们就知道,具体什么时候被阻塞的协程会被唤醒了
-
因为读阻塞的协程,会被通道中的写入数据的协程唤醒,反之亦然
-
因为写阻塞的协程,也会被通道中读取数据的协程唤醒
elemtype
元素类型信息又是啥
这个元素类型信息就不难理解了,对于我们使用通道,创建通道的时候我们需要填入通道中数据的类型,一个通道,只能写一种数据类型,指的就是这里的elemtype
另外 hchan
还有一个成员是elemsize
,代表上述元素类型的占用空间大小
那么这俩成员有啥作用呢?
elemtype
和elemsize
就可以计算指定类型的数据占用空间大小了
前者用于在数据传递的过程中进行赋值
后者可以用来在环形队列中定位具体的元素
创建 chan 是咋实现的?
我们再来瞅瞅 chan.go
的源码实现 ,看到源码中的 makechan
具体实现
func makechan(t *chantype, size int) *hchan { elem := t.elem // compiler checks this but be safe. if elem.size >= 1<<16 { throw("makechan: invalid channel element type") } if hchanSize%maxAlign != 0 || elem.align > maxAlign { throw("makechan: bad alignment") } mem, overflow := math.MulUintptr(elem.size, uintptr(size)) if overflow || mem > maxAlloc-hchanSize || size < 0 { panic(plainError("makechan: size out of range")) } // Hchan does not contain pointers interesting for GC when elements stored in buf do not contain pointers. // buf points into the same allocation, elemtype is persistent. // SudoG's are referenced from their owning thread so they can't be collected. // TODO(dvyukov,rlh): Rethink when collector can move allocated objects. var c *hchan switch { case mem == 0: // Queue or element size is zero. c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true)) // Race detector uses this location for synchronization. c.buf = c.raceaddr() case elem.ptrdata == 0: // Elements do not contain pointers. // Allocate hchan and buf in one call. c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true)) c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize) default: // Elements contain pointers. c = new(hchan) c.buf = mallocgc(mem, elem, true) } c.elemsize = uint16(elem.size) c.elemtype = elem c.dataqsiz = uint(size) lockInit(&c.lock, lockRankHchan) if debugChan { print("makechan: chan=", c, "; elemsize=", elem.size, "; dataqsiz=", size, "\n") } return c }
如上源码实际上就是初始化 chan
对应的成员,其中循环队列 buf 的大小,是由 makechan
函数传入的 类型信息和缓冲区长度决定的,也就是makechan
的入参
可以通过上述代码的 3 个位置就可以知道
// 1 func makechan(t *chantype, size int) *hchan // 2 mem, overflow := math.MulUintptr(elem.size, uintptr(size)) // 3 var c *hchan switch { case mem == 0: // Queue or element size is zero. c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true)) // Race detector uses this location for synchronization. c.buf = c.raceaddr() case elem.ptrdata == 0: // Elements do not contain pointers. // Allocate hchan and buf in one call. c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true)) c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize) default: // Elements contain pointers. c = new(hchan) c.buf = mallocgc(mem, elem, true) }
读写 chan 的基本流程
第一张图说明白向 chan 写入数据的流程
向通道中写入数据,我们会涉及sendq
、 recvq
队列,和循环队列的资源问题
根据图示可以看出向通道中写入数据分为 3 种情况:
-
写入数据的时候,若
recvq
队列为空,且循环队列有空位,那么就直接将数据写入到 循环队列的队尾 即可 -
若
recvq
队列为空,且循环队列无空位,则将当前的协程放到sendq
等待队列中进行阻塞,等待被唤醒,当被唤醒的时候,需要写入的数据,已经被读取出来,且已经完成了写入操作 -
若
recvq
队列为不为空,那么可以说明循环队列中没有数据,或者循环队列是空的,即没有缓冲区(向无缓冲的通道写入数据),此时,直接将recvq
等待队列中取出一个G,写入数据,唤醒G,完成写入操作
第二张图说明白向 chan 读取数据的流程
向通道中读取数据,我们会涉及sendq
、 recvq
队列,和循环队列的资源问题
根据图示可以看出向通道中读取数据分为 4 种情况:
-
若
sendq
为空,且循环队列无元素的时候,那就将当前的协程加入recvq
等待队列,把recvq
等待队列对头的一个协程取出来,唤醒,读取数据 -
若
sendq
为空,且循环队列有元素的时候,直接读取循环队列中的数据即可 -
若
sendq
有数据,且循环队列有元素的时候,直接读取循环队列中的数据即可,且把sendq
队列取一个G放到循环队列中,进行补充 -
若
sendq
有数据,且循环队列无元素的时候,则从sendq
取出一个G,并且唤醒他,进行数据读取操作
上面说了通道的创建,读写,那么通道咋关闭?
通道的关闭,我们在应用的时候直接 close
就搞定了,那么对应close
的时候,底层的队列都是做了啥呢?
若关闭了当前的通道,那么系统会把recvq
读取数据的等待队列里面的所有协程,全部唤醒,这里面的每一个G 写入的数据 默认就写个 nil,因为通道关闭了,从关闭的通道里面读取数据,读到的是nil
系统还会把sendq
写数据的等待队列里面的每一个协程唤醒,但是此时就会有问题了,向已经关闭的协程里面写入数据,会报panic
我们再来梳理一下,什么情况下对通道操作,会报panic
,咱们现在对之前提到的表格再来补充一波
channel 状态 | 未初始化的通道(nil) | 通道非空 | 通道是空的 | 通道满了 | 通道未满 | 关闭的通道 |
---|---|---|---|---|---|---|
接收数据 | 阻塞 |
接收数据 | 阻塞 |
接收数据 | 接收数据 | nil |
发送数据 | 阻塞 |
发送数据 | 发送数据 | 阻塞 |
发送数据 | panic |
关闭 | panic | 关闭通道成功 |
待数据读取完毕后
返回零值 | 关闭通道成功
直接返回零值 | 关闭通道成功
待数据读取完毕后
返回零值 | 关闭通道成功
待数据读取完毕后
返回零值 | panic |
-
关闭一个已经被关闭了的通道,会报
panic
-
关闭一个未初始化的通道,即为
nil
的通道,也会报panic
-
向一个已经关闭的通道写入数据,会报
panic
你以为这就完了吗?
GO 里面Chan
一般会和 select
搭配使用,我们最后来简单说一下GO 的 通道咋和select使用吧
GO 里面select
就和 C/C++
里面的多路IO复用
类似,在C/C++
中多路IO复用有如下几种方式
-
SELECT
-
POLL
-
EPOLL
都可以自己去模拟实现多路IO复用,各有利弊,一般使用的最多的是 EPOLL,且C/C++也有对应的网络库
当我们写GO 的多路IO复用的时候,那就相当爽了,GO 默认支持select
关键字
SELECT 简单使用
我们就来看看都是咋用的,不废话,咱直接上DEMO
package main import ( "log" "time" ) func main() { // 简单设置log参数 log.SetFlags(log.Lshortfile | log.LstdFlags) // 创建 2 个通道,元素数据类型为 int,缓冲区大小为 5 var ch1 = make(chan int, 5) var ch2 = make(chan int, 5) // 分别向通道中各自写入数据,咱默认写1吧 // 直接写一个匿名函数 向通道中添加数据 go func (){ var num = 1 for { ch1 <- num num += 1 time.Sleep(1 * time.Second) } }() go func (){ var num = 1 for { ch2 <- num num += 1 time.Sleep(1 * time.Second) } }() for { select {// 读取数据 case num := <-ch1: log.Printf("read ch1 data is %d\n", num) case num := <-ch2: log.Printf("read ch2 data is: %d\n", num) default: log.Printf("ch1 and ch2 is empty\n") // 休息 1s 再读 time.Sleep(1 * time.Second) } } }
运行效果
2021/06/18 17:43:06 main.go:54: ch1 and ch2 is empty 2021/06/18 17:43:07 main.go:48: read ch1 data is 1 2021/06/18 17:43:07 main.go:48: read ch1 data is 2 2021/06/18 17:43:07 main.go:51: read ch2 data is: 1 2021/06/18 17:43:07 main.go:51: read ch2 data is: 2 2021/06/18 17:43:07 main.go:54: ch1 and ch2 is empty 2021/06/18 17:43:08 main.go:48: read ch1 data is 3 2021/06/18 17:43:08 main.go:51: read ch2 data is: 3 2021/06/18 17:43:08 main.go:54: ch1 and ch2 is empty 2021/06/18 17:43:09 main.go:48: read ch1 data is 4 2021/06/18 17:43:09 main.go:51: read ch2 data is: 4 2021/06/18 17:43:09 main.go:54: ch1 and ch2 is empty 2021/06/18 17:43:10 main.go:51: read ch2 data is: 5 2021/06/18 17:43:10 main.go:48: read ch1 data is 5
从运行结果来看,select
监控的 2个 通道,读取到的数据是随机的
可是我们看到case
这个关键字,是不是会想到 switch ... case...
,此处的的case
是顺序运行的(GO 中没有switch),select
里面的 case
应该也是顺序运行才对呀,为啥结果是随机的?
大家要是感兴趣的话,可以深入研究一下,咱们今天就先到这里了。
总结
-
分享了 GO 中通道是什么
-
通道的底层数据结构详细解析
-
通道在GO源码中是如何实现的
-
Chan 读写的基本原理
-
关闭通道会出现哪些异常,panic
-
select 的简单应用
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好了,本次就到这里
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