深入解读Golang信道

信道是一个golang goroutine之间很关键的通信媒介。

理解golang的信道很重要，这里记录平时易忘记的、易混淆的点。

1. 基本使用

刚声明的信道，零值为nil，无法直接使用，需配合make函数进行初始化

   ic :=  make(chan int)
   ic  <-22   // 向无缓冲信道写入数据
   v := <-ic  // 从无缓冲信道读取数据

• 无缓冲信道：一手交钱，一手交货， sender、receiver必须同时做好动作，才能完成发送->接收；否则，先准备好的一方将会阻塞等待。
• 有缓冲信道 make(chan int,10)：滑轨流水线，因为存在缓冲空间，故并不强制sender、receiver必须同时准备好；当通道空或满时， 有一方会阻塞。

信道存在三种状态：nil， active， closed

针对这三种状态，sender、receiver有一些行为，我也不知道如何强行记忆这些行为 ☹️：

2. 从1个例子看chan的实质

package main
 
import (
    "fmt"
)
 
func SendDataToChannel(ch chan int, value int) {
    fmt.Printf("ch's value：%v, chan's type: %T \n", ch, ch) // %v 显示struct的值；%T 显示类型
    ch <- value
}
 
func main() {
    var v int
    ch := make(chan int)     
    fmt.Printf("ch's value：%v, chan's type: %T \n", ch, ch) 
    go SendDataToChannel(ch, 101)         // 通过信道发送数据
    v = <-ch                              //  从信道接受数据
    fmt.Println(v)       // 101
}

能正确打印101。

Q1:  刚学习golang的时候，一直给我们灌输golang函数是值传递，那上例在另外一个协程内部对形参的操作，为什么会影响外部的实参？

请关注格式化字符的日志输出：

ch's value：0xc000018180, chan's type: chan int 
ch's value：0xc000018180, chan's type: chan int 
101

A: 上面的日志显示传递的ch是一个指针值0xc000018180，类型是chan int( 这并不是说ch是指向chan int类型的指针)。

chan int本质就是指向hchan结构体的指针。

内置函数make^[1]创建信道：func makechan(t *chantype, size int) *hchan返回了指向hchan结构体的指针：

type hchan struct {
 qcount   uint           // 队列中已有的缓存元素的长度
 dataqsiz uint           // 环形队列的长度
 buf      unsafe.Pointer // 环形队列的地址
 elemsize uint16
 closed   uint32
 elemtype *_type // 元素类型
 sendx    uint   // 待发送的元素索引
 recvx    uint   // 待接受元素索引
 recvq    waitq  // 阻塞等待的goroutine
 sendq    waitq  // 阻塞等待的gotoutine

 // 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
}

Q2：缓冲信道内部为什么要使用环形队列？

A：golang是使用数组来实现信道队列，在不移动元素的情况下， 队列会出现“假满”的情况，

在做成环形队列的情况下， 所有的入队出队操作依旧是 O(1)的时间复杂度，同时元素空间可以重复利用。
需要使用sendIndex，receIndex来标记实际的待插入/拉取位置，显而易见会出现 sendIndex<=receIndex 的情况。

recvq,receq是由链表实现的队列，用于存储阻塞等待的goroutine和待发送/待接收值， 这两个结构也是阻塞goroutine被唤醒的准备条件。

3. 发送/接收的细节

① 不要使用共享内存来通信，而是使用通信来共享内存

元素值从外界进入信道会被复制，也就是说进入信道的是元素值的副本，并不是元素本身进入信道 (出信道类似)。

金玉良言落到实处：不同的线程不共享内存、不用锁，线程之间通讯用channel同步也用channel。发送/接收数据的两个动作(G1,G2,G3)没有共享的内存，底层通过hchan结构体的buf，使用copy内存的方式进行通信，最后达到了共享内存的目的。

②  根据第①点，发送操作包括：复制待发送值，放置到信道内；
接收操作包括:复制元素值， 放置副本到接收方，删除原值，以上行为在全部完成之前都不会被打断。所以第①点所说的无锁，其实指的业务代码无锁，信道底层实现还是靠锁。

以send操作为例，下面代码截取自 https://github.com/golang/go/blob/master/src/runtime/chan.go#L216

if c.qcount < c.dataqsiz {
   // Space is available in the channel buffer. Enqueue the element to send.
   qp := chanbuf(c, c.sendx)         // 计算出buf中待插入位置的地址
   if raceenabled {
    racenotify(c, c.sendx, nil)
   }
   typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)  // 将元素copy进指定的qp地址
   c.sendx++                         // 重新计算待插入位置的索引
   if c.sendx == c.dataqsiz {
    c.sendx = 0                      
   }
   c.qcount++
   unlock(&c.lock)
   return true
  }

一个常规的send动作：

• 计算环形队列的待插入位置的地址
• 将元素copy进指定的qp地址
• 重新计算待插入位置的索引sendx
• 如果待插入位置==队列长度，说明插入位置已到尾部，需要插入首部。
• 以上动作加锁

③ 进入等待状态的goroutine会进入hchan的sendq/recvq列表

调度器将G1、G2置为waiting状态，G1、G2进入sendq列表，同时与逻辑处理器分离；

直到有G3尝试读取信道内`recvx`元素^[2]，之后将唤醒^[3]队首G1^[4]进入runnable状态，加入调度器的runqueue。

这里面涉及gopark, goready两个函数。

如果是无缓冲信道引起的阻塞，将会直接拷贝G1的待发送值到G2的存储位置^[5]

✍️ https://github.com/golang/go/blob/master/src/runtime/chan.go#L527

package main

import (
 "fmt"
 "time"
)

func SendDataToChannel(ch chan int, value int) {
 time.Sleep(time.Millisecond * time.Duration(value))
 ch <- value
}

func main() {
 var v int
 var ch chan int = make(chan int)
 go SendDataToChannel(ch, 104) // 通过信道发送数据
 go SendDataToChannel(ch, 100) // 通过信道发送数据
 go SendDataToChannel(ch, 95)  // 通过信道发送数据
 go SendDataToChannel(ch, 120) // 通过信道发送数据

 time.Sleep(time.Second)
 v = <-ch       //  从信道接受数据
 fmt.Println(v)  

 time.Sleep(time.Second * 10)
}

Q3：上述代码大概率稳定输出95。

A：虽然4个goroutine被启动的顺序不定，但是肯定都阻塞了，阻塞的时机不一样，被唤醒的是sendq队首的goroutine，基本可认为第三个goroutine被首先捕获进sendq ，因为是无缓冲信道，将会直接拷贝G3的95给到待接收地址。

4. 业内总结的信道的常规姿势

无缓冲、缓冲信道的特征，已经在golang领域形成了特定的套路。

• 当容量为0时，说明信道中不能存放数据，在发送数据时，必须要求立马有人接收，此时的信道称之为无缓冲信道。

• 当容量为1时，说明信道只能缓存一个数据，若信道中已有一个数据，此时再往里发送数据，会造成程序阻塞，利用这点可以利用信道来做锁。

• 当容量大于1时，信道中可以存放多个数据，可以用于多个协程之间的通信管道，共享资源。

Q4：为什么无缓冲信道不适合做锁？

A：我们先思考一下锁的业务实质：获取独占标识，并能够继续执行；无缓冲信道虽然可以获取独占标识，但是他阻塞了自身goroutine的执行，所以并不适合实现业务锁。

参考资料