深入理解Golang Channel 結(jié)構(gòu)

Go 語言的 channel 底層是什么數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？本文深入解析了 channel。

Golang 使用 Groutine 和 channels 實(shí)現(xiàn)了 CSP(Communicating Sequential Processes) 模型，channles?在 goroutine 的通信和同步中承擔(dān)著重要的角色。

在 GopherCon 2017 中，Golang 專家 Kavya 深入介紹了 Go Channels 的內(nèi)部機(jī)制，以及運(yùn)行時(shí)調(diào)度器和內(nèi)存管理系統(tǒng)是如何支持 Channel 的，本文根據(jù) Kavya 的 ppt 學(xué)習(xí)和分析一下 go channels 的原理，希望能夠?qū)σ院笳_高效使用 golang 的并發(fā)帶來一些啟發(fā)。

以一個(gè)簡單的 channel 應(yīng)用開始，使用 goroutine 和 channel 實(shí)現(xiàn)一個(gè)任務(wù)隊(duì)列，并行處理多個(gè)任務(wù)。

func?main(){
????//帶緩沖的?channel
????ch?:=?make(chan?Task,?3)

????//啟動(dòng)固定數(shù)量的?worker
????for?i?:=?0;?i????????go?worker(ch)
????}

????//發(fā)送任務(wù)給?worker
????hellaTasks?:=?getTaks()

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

????...
}

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

從上面的代碼可以看出，使用 golang 的 goroutine 和 channel 可以很容易的實(shí)現(xiàn)一個(gè)生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式的任務(wù)隊(duì)列，相比 Java, c++簡潔了很多。channel 可以天然的實(shí)現(xiàn)了下面四個(gè)特性：

• goroutine 安全
• 在不同的 goroutine 之間存儲(chǔ)和傳輸值 - 提供 FIFO 語義 (buffered channel 提供）
• 可以讓 goroutine block/unblock

那么 channel 是怎么實(shí)現(xiàn)這些特性的呢？下面我們看看當(dāng)我們調(diào)用 make 來生成一個(gè) channel 的時(shí)候都做了些什么。

make chan

上述任務(wù)隊(duì)列的例子第三行，使用 make 創(chuàng)建了一個(gè)長度為 3 的帶緩沖的 channel，channel 在底層是一個(gè) hchan 結(jié)構(gòu)體，位于 src/runtime/chan.go 里。其定義如下：

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 函數(shù)在創(chuàng)建 channel 的時(shí)候會(huì)在該進(jìn)程的 heap 區(qū)申請(qǐng)一塊內(nèi)存，創(chuàng)建一個(gè) hchan 結(jié)構(gòu)體，返回執(zhí)行該內(nèi)存的指針，所以獲取的的 ch 變量本身就是一個(gè)指針，在函數(shù)之間傳遞的時(shí)候是同一個(gè) channel。

hchan 結(jié)構(gòu)體使用一個(gè)環(huán)形隊(duì)列來保存 groutine 之間傳遞的數(shù)據(jù)（如果是緩存 channel 的話），使用**兩個(gè) list **保存像該 chan 發(fā)送和從該 chan 接收數(shù)據(jù)的 goroutine，還有一個(gè) mutex 來保證操作這些結(jié)構(gòu)的安全。

發(fā)送和接收

向 channel 發(fā)送和從 channel 接收數(shù)據(jù)主要涉及 hchan 里的四個(gè)成員變量，借用 Kavya ppt 里的圖示，來分析發(fā)送和接收的過程。

還是以前面的任務(wù)隊(duì)列為例：

//G1
func?main(){
????...

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

????...
}

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

其中 G1 是發(fā)送者，G2 是接收，因?yàn)?ch 是長度為 3 的帶緩沖 channel，初始的時(shí)候 hchan 結(jié)構(gòu)體的 buf 為空，sendx 和 recvx 都為 0，當(dāng) G1 向 ch 里發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)首先對(duì) buf 加鎖，然后將要發(fā)送的數(shù)據(jù) copy 到 buf 里，并增加 sendx 的值，最后釋放 buf 的鎖。然后 G2 消費(fèi)的時(shí)候首先對(duì) buf 加鎖，然后將 buf 里的數(shù)據(jù) copy 到 task 變量對(duì)應(yīng)的內(nèi)存里，增加 recvx，最后釋放鎖。整個(gè)過程，G1 和 G2 沒有共享的內(nèi)存，底層通過 hchan 結(jié)構(gòu)體的 buf，使用 copy 內(nèi)存的方式進(jìn)行通信，最后達(dá)到了共享內(nèi)存的目的，這完全符合 CSP 的設(shè)計(jì)理念

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

一般情況下，G2 的消費(fèi)速度應(yīng)該是慢于 G1 的，所以 buf 的數(shù)據(jù)會(huì)越來越多，這個(gè)時(shí)候 G1 再向 ch 里發(fā)送數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)候 G1 就會(huì)阻塞，那么阻塞到底是發(fā)生了什么呢？

Goroutine Pause/Resume

goroutine 是 Golang 實(shí)現(xiàn)的用戶空間的輕量級(jí)的線程，有 runtime 調(diào)度器調(diào)度，與操作系統(tǒng)的 thread 有多對(duì)一的關(guān)系，相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下圖：

其中 M 是操作系統(tǒng)的線程，G 是用戶啟動(dòng)的 goroutine，P 是與調(diào)度相關(guān)的 context，每個(gè) M 都擁有一個(gè) P，P 維護(hù)了一個(gè)能夠運(yùn)行的 goutine 隊(duì)列，用于該線程執(zhí)行。

當(dāng) G1 向 buf 已經(jīng)滿了的 ch 發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，當(dāng) runtine 檢測到對(duì)應(yīng)的 hchan 的 buf 已經(jīng)滿了，會(huì)通知調(diào)度器，調(diào)度器會(huì)將 G1 的狀態(tài)設(shè)置為 waiting, 移除與線程 M 的聯(lián)系，然后從 P 的 runqueue 中選擇一個(gè) goroutine 在線程 M 中執(zhí)行，此時(shí) G1 就是阻塞狀態(tài)，但是不是操作系統(tǒng)的線程阻塞，所以這個(gè)時(shí)候只用消耗少量的資源。

那么 G1 設(shè)置為 waiting 狀態(tài)后去哪了？怎們?nèi)?resume 呢？我們?cè)倩氐?hchan 結(jié)構(gòu)體，注意到 hchan 有個(gè) sendq 的成員，其類型是 waitq，查看源碼如下：

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

實(shí)際上，當(dāng) G1 變?yōu)?waiting 狀態(tài)后，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)代表自己的 sudog 的結(jié)構(gòu)，然后放到 sendq 這個(gè) list 中，sudog 結(jié)構(gòu)中保存了 channel 相關(guān)的變量的指針（如果該 Goroutine 是 sender，那么保存的是待發(fā)送數(shù)據(jù)的變量的地址，如果是 receiver 則為接收數(shù)據(jù)的變量的地址，之所以是地址，前面我們提到在傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候使用的是 copy 的方式）

當(dāng) G2 從 ch 中接收一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)通知調(diào)度器，設(shè)置 G1 的狀態(tài)為 runnable，然后將加入 P 的 runqueue 里，等待線程執(zhí)行。

wait empty channel

前面我們是假設(shè) G1 先運(yùn)行，如果 G2 先運(yùn)行會(huì)怎么樣呢？如果 G2 先運(yùn)行，那么 G2 會(huì)從一個(gè) empty 的 channel 里取數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)候 G2 就會(huì)阻塞，和前面介紹的 G1 阻塞一樣，G2 也會(huì)創(chuàng)建一個(gè) sudog 結(jié)構(gòu)體，保存接收數(shù)據(jù)的變量的地址，但是該 sudog 結(jié)構(gòu)體是放到了 recvq 列表里，當(dāng) G1 向 ch 發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，runtime 并沒有對(duì) hchan 結(jié)構(gòu)體題的 buf 進(jìn)行加鎖，而是直接將 G1 里的發(fā)送到 ch 的數(shù)據(jù) copy 到了 G2 sudog 里對(duì)應(yīng)的 elem 指向的內(nèi)存地址！

總結(jié)

Golang 的一大特色就是其簡單高效的天然并發(fā)機(jī)制，使用 goroutine 和 channel 實(shí)現(xiàn)了 CSP 模型。

理解 channel 的底層運(yùn)行機(jī)制對(duì)靈活運(yùn)用 golang 開發(fā)并發(fā)程序有很大的幫助，看了 Kavya 的分享，然后結(jié)合 golang runtime 相關(guān)的源碼（源碼開源并且也是 golang 實(shí)現(xiàn)簡直良心！), 對(duì) channel 的認(rèn)識(shí)更加的深刻，當(dāng)然還有一些地方存在一些疑問，比如 goroutine 的調(diào)度實(shí)現(xiàn)相關(guān)的，還是要潛心膜拜大神們的源碼！