JulianHuang

信道是一个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, 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 ☹️:

动作 nil active closed
close panic 成功 panic
ch <- 死锁 阻塞或成功 panic
<-ch 死锁 阻塞或成功 零值

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

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

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,之后将唤醒队首G1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

✍️ 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。

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