Golang 语言中的 channel 实现原理

介绍

Golang 语言社区流传一句口号：

Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.

安全访问共享变量是并发编程的一个难点，在 Golang 语言中，倡导通过通信共享内存，实际上就是使用 channel 传递共享变量，在任何给定时间，只有一个 goroutine 可以访问该变量的值，从而避免发生数据竞争。

关于 channel 的使用方法，我们在之前的文章中「Go 语言学习之 goroutine 和 channel」介绍过，本文我们从 channel 的数据结构和执行逻辑两个方面介绍一下它的实现原理。

数据结构

我们看一下 Golang 源码中 channel 的数据结构。

$GOROOT/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 mutex
}

阅读 channel 的源码，可以发现 channel 的数据结构是 hchan 结构体，包含以下字段：

• qcount 当前队列中剩余的元素个数
• datasize 环形队列的长度
• buf 环形队列的指针
• elemsize 元素的大小
• closed 关闭标识
• elemtype 元素的类型
• sendx 发送索引位置
• recvx 接收索引位置
• recvq 等待接收的协程队列
• sendq 等待发送的协程队列
• lock 互斥锁

通过阅读 channel 的数据结构，可以发现 channel 是使用环形队列作为 channel 的缓冲区，datasize 环形队列的长度是在创建 channel 时指定的，通过 sendx 和 recvx 两个字段分别表示环形队列的队尾和队首，其中，sendx 表示数据写入的位置，recvx 表示数据读取的位置。

字段 recvq 和 sendq 分别表示等待接收的协程队列和等待发送的协程队列，当 channel 缓冲区为空或无缓冲区时，当前协程会被阻塞，分别加入到 recvq 和 sendq 协程队列中，等待其它协程操作 channel 时被唤醒。其中，读阻塞的协程被写协程唤醒，写阻塞的协程被读协程唤醒。

字段 elemtype 和 elemsize 表示 channel 中元素的类型和大小，需要注意的是，一个 channel 只能传递一种类型的值，如果需要传递任意类型的数据，可以使用 interface{} 类型。

字段 lock 是保证同一时间只有一个协程读写 channel。

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执行逻辑

在 Golang 语言中，可以对 channel 进行读写操作，本小节我们分别介绍一下 channel 的读操作和写操作。

写操作 channel，分为两种情况，第一种是 channel 的缓冲区未写满，直接将数据写入缓冲区，结束 send 操作；第二种是 channel 的缓冲区已写满，此时，当前操作 channel 的协程将会被加入 sendq 等待发送的协程队列，等待被读协程唤醒。

需要注意的是，当 recvq 队列不为空时，证明缓冲区没有数据，但是有协程等待读取数据，此时，数据将不再写入缓冲区，而是会直接把数据传递给 recvq 队列中的第一个协程。

读操作 channel，也分为两种情况，第一种是 channel 的缓冲区中有数据，直接读取缓冲区中的数据，结束 recv 操作；第二种是 channel 的缓冲区中没有数据，此时，当前操作 channel 的协程加入 recvq 等待接收的协程队列，等待被写协程唤醒。

需要注意的是，当 sendq 队列不为空时，并且缓冲区已写满，此时，将直接从 sendq 队列中的第一个协程读取数据。

当 channel 被关闭时，recvq 和 sendq 中的所有协程被唤醒，其中 recvq 中的协程读取到的数据全部是 nil，sendq 中的协程会触发 panic。

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总结

本文我们在 channel 的数据结构和执行逻辑两个方面介绍了 channel 的实现原理，其中，执行逻辑小节中，重点介绍了 channel 的读写操作。如果读者朋友们想要了解创建 channel 的执行逻辑，可以阅读源码中的函数 func makechan(t *chantype, size int) *hchan。

推荐阅读：

Golang 语言的编程技巧之变量

Golang 语言中的非类型安全指针

参考资料：

https://golang.org/doc/effective_go#sharing 

https://blog.golang.org/codelab-share