深入理解Golang Channel 结构

Go 语言的 channel 底层是什么数据结构？本文深入解析了 channel。

Golang 使用 Groutine 和 channels 实现了 CSP(Communicating Sequential Processes) 模型，channles 在 goroutine 的通信和同步中承担着重要的角色。

在 GopherCon 2017 中，Golang 专家 Kavya 深入介绍了 Go Channels 的内部机制，以及运行时调度器和内存管理系统是如何支持 Channel 的，本文根据 Kavya 的 ppt 学习和分析一下 go channels 的原理，希望能够对以后正确高效使用 golang 的并发带来一些启发。

以一个简单的 channel 应用开始，使用 goroutine 和 channel 实现一个任务队列，并行处理多个任务。

func main(){
    //带缓冲的 channel
    ch := make(chan Task, 3)

    //启动固定数量的 worker
    for i := 0; i< numWorkers; i++ {
        go worker(ch)
    }

    //发送任务给 worker
    hellaTasks := getTaks()

    for _, task := range hellaTasks {
        ch <- task
    }

    ...
}

func worker(ch chan Task){
    for {
       //接受任务
       task := <- ch
       process(task)
    }
}

从上面的代码可以看出，使用 golang 的 goroutine 和 channel 可以很容易的实现一个生产者-消费者模式的任务队列，相比 Java, c++简洁了很多。channel 可以天然的实现了下面四个特性：

• goroutine 安全
• 在不同的 goroutine 之间存储和传输值 - 提供 FIFO 语义 (buffered channel 提供）
• 可以让 goroutine block/unblock

那么 channel 是怎么实现这些特性的呢？下面我们看看当我们调用 make 来生成一个 channel 的时候都做了些什么。

make chan

上述任务队列的例子第三行，使用 make 创建了一个长度为 3 的带缓冲的 channel，channel 在底层是一个 hchan 结构体，位于 src/runtime/chan.go 里。其定义如下：

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
}

make 函数在创建 channel 的时候会在该进程的 heap 区申请一块内存，创建一个 hchan 结构体，返回执行该内存的指针，所以获取的的 ch 变量本身就是一个指针，在函数之间传递的时候是同一个 channel。

hchan 结构体使用一个环形队列来保存 groutine 之间传递的数据（如果是缓存 channel 的话），使用**两个 list **保存像该 chan 发送和从该 chan 接收数据的 goroutine，还有一个 mutex 来保证操作这些结构的安全。

发送和接收

向 channel 发送和从 channel 接收数据主要涉及 hchan 里的四个成员变量，借用 Kavya ppt 里的图示，来分析发送和接收的过程。

还是以前面的任务队列为例：

//G1
func main(){
    ...

    for _, task := range hellaTasks {
        ch <- task    //sender
    }

    ...
}

//G2
func worker(ch chan Task){
    for {
       //接受任务
       task := <- ch  //recevier
       process(task)
    }
}

其中 G1 是发送者，G2 是接收，因为 ch 是长度为 3 的带缓冲 channel，初始的时候 hchan 结构体的 buf 为空，sendx 和 recvx 都为 0，当 G1 向 ch 里发送数据的时候，会首先对 buf 加锁，然后将要发送的数据 copy 到 buf 里，并增加 sendx 的值，最后释放 buf 的锁。然后 G2 消费的时候首先对 buf 加锁，然后将 buf 里的数据 copy 到 task 变量对应的内存里，增加 recvx，最后释放锁。整个过程，G1 和 G2 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，这完全符合 CSP 的设计理念

Do not comminute by sharing memory;instead, share memory by communicating

一般情况下，G2 的消费速度应该是慢于 G1 的，所以 buf 的数据会越来越多，这个时候 G1 再向 ch 里发送数据，这个时候 G1 就会阻塞，那么阻塞到底是发生了什么呢？

Goroutine Pause/Resume

goroutine 是 Golang 实现的用户空间的轻量级的线程，有 runtime 调度器调度，与操作系统的 thread 有多对一的关系，相关的数据结构如下图：

其中 M 是操作系统的线程，G 是用户启动的 goroutine，P 是与调度相关的 context，每个 M 都拥有一个 P，P 维护了一个能够运行的 goutine 队列，用于该线程执行。

当 G1 向 buf 已经满了的 ch 发送数据的时候，当 runtine 检测到对应的 hchan 的 buf 已经满了，会通知调度器，调度器会将 G1 的状态设置为 waiting, 移除与线程 M 的联系，然后从 P 的 runqueue 中选择一个 goroutine 在线程 M 中执行，此时 G1 就是阻塞状态，但是不是操作系统的线程阻塞，所以这个时候只用消耗少量的资源。

那么 G1 设置为 waiting 状态后去哪了？怎们去 resume 呢？我们再回到 hchan 结构体，注意到 hchan 有个 sendq 的成员，其类型是 waitq，查看源码如下：

type hchan struct { 
    ... 
    recvq waitq // list of recv waiters 
    sendq waitq // list of send waiters 
    ... 
} 
// 
type waitq struct { 
    first *sudog 
    last *sudog 
} 

实际上，当 G1 变为 waiting 状态后，会创建一个代表自己的 sudog 的结构，然后放到 sendq 这个 list 中，sudog 结构中保存了 channel 相关的变量的指针（如果该 Goroutine 是 sender，那么保存的是待发送数据的变量的地址，如果是 receiver 则为接收数据的变量的地址，之所以是地址，前面我们提到在传输数据的时候使用的是 copy 的方式）

当 G2 从 ch 中接收一个数据时，会通知调度器，设置 G1 的状态为 runnable，然后将加入 P 的 runqueue 里，等待线程执行。

wait empty channel

前面我们是假设 G1 先运行，如果 G2 先运行会怎么样呢？如果 G2 先运行，那么 G2 会从一个 empty 的 channel 里取数据，这个时候 G2 就会阻塞，和前面介绍的 G1 阻塞一样，G2 也会创建一个 sudog 结构体，保存接收数据的变量的地址，但是该 sudog 结构体是放到了 recvq 列表里，当 G1 向 ch 发送数据的时候，runtime 并没有对 hchan 结构体题的 buf 进行加锁，而是直接将 G1 里的发送到 ch 的数据 copy 到了 G2 sudog 里对应的 elem 指向的内存地址！

总结

Golang 的一大特色就是其简单高效的天然并发机制，使用 goroutine 和 channel 实现了 CSP 模型。

理解 channel 的底层运行机制对灵活运用 golang 开发并发程序有很大的帮助，看了 Kavya 的分享，然后结合 golang runtime 相关的源码（源码开源并且也是 golang 实现简直良心！), 对 channel 的认识更加的深刻，当然还有一些地方存在一些疑问，比如 goroutine 的调度实现相关的，还是要潜心膜拜大神们的源码！