Go 源码之 chan
一、总结
chan 提供了一种在 goroutine 之间进行数据交换和同步的方式。通道可以用于控制并发访问和共享数据，从而减少竞态条件和死锁问题，并且可以自然地处理异步事件和信号。如果你的应用程序需要在 goroutine 之间传递数据或消息，那么通道是一个不错的选择
- 内部是一个 hchan 结构（字段见源码），环形队列 + 发送者双向链表 + 接收者双向链表 + 锁
- channel 与 select 语句结合使用时，底层调用的还是 chansend 和 chanrecv 函数
- channel
- 结构：环形缓存、sendq、recvq；
- 流程：上锁/解锁，阻塞/非阻塞，缓冲/非缓冲，缓存入队出队，sudog 入队出队，协程休眠/唤醒
二、源码
/src/runtime/chan.go
- 一个环形队列
- 两个双向列表
（一）hchan
buf + sendx + recvx 形成环形队列
type hchan struct {
qcount uint // 队列中现存元素数量
dataqsiz uint // 队列容量（缓冲区）
buf unsafe.Pointer // 队列，指向一个动态分配的数组，用于存储 channel 中的元素
elemsize uint16 // 队列中元素大小
closed uint32 // 0 正常 ，1 关闭
elemtype *_type // 队列中元素类型，
sendx uint // 队列（buf）已发送位置，当（sendx++）==dataqsiz，则从头开始发，sendx=0
recvx uint // 队列（buf）已接收位置；
// 当 `sendx` 和 `recvx` 相等时，channel 中无元素，发送 / 接收 操作阻塞
recvq waitq // 双向链表 ，FIFO 由 recv 行为（也就是读 <-ch）阻塞在 channel 上的 goroutine 队列
sendq waitq // 双向链表 ，FIFO 由 send 行为 (也就是写 ch<-) 阻塞在 channel 上的 goroutine 队列
lock mutex // 读写锁，保护hchan中的所有字段，以及waitq中所有的字段
}
// 双向链表，存储了g
type waitq struct {
first *sudog // 链表头部，协程 g 的数据结构
last *sudog // 链表尾部，协程 g 的数据结构
}
（二）创建
ch1 := make(chan int)
ch2 := make(chan int,2)
底层都是调用了 runtime.makechan()
- 合法性校验
- 数据类型大小校验
- 内存溢出校验
- 初始化 hchan
- 初始化 无缓冲 hchan
- 初始化 有缓冲 && 无指针元素 hchan
- 初始化 无缓冲 && 有指针元素 hchan
- 初始化 hchan 其他元素：如 dataqsize、elemsize、elemtype、lock
// 主要逻辑：合法性验证 和 分配地址空间
// t 是指向 chantype 的指针，size 表示缓冲区大小，0表无缓冲
func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
elem := t.elem // 元素的类型
// ----------- 1. 合法性验证 ----------
// 数据类型大小验证，大于1<<16时异常
if elem.size >= 1<<16 {
throw("makechan: invalid channel element type")
}
// 内存对齐（降低寻址次数），大于最大内存（8字节数）时异常
if hchanSize%maxAlign != 0 || elem.align > maxAlign {
throw("makechan: bad alignment")
}
// 传入的size大于堆可分配的最大内存时：内存溢出异常
mem, overflow := math.MulUintptr(elem.size, uintptr(size))
if overflow || mem > maxAlloc-hchanSize || size < 0 {
panic(plainError("makechan: size out of range"))
}
// ----------- 2. 分配地址空间 ----------
// hchanSize 为 hchan 结构大小
// mem 为缓存区大小
/* 根据 channel 中收发元素的类型和缓冲区的大小初始化 runtime.hchan 和 缓冲区，分为三种情况：
* 如果不存在缓冲区，分配 hchan 结构体空间，即无缓存 channel
* 如果 channel 存储的类型不是指针类型，分配连续地址空间，包括 hchan 结构体 + 数据
* 默认情况包括指针，为 hchan 和 buf 单独分配数据地址空间
更新 hchan 结构体的数据，包括 elemsize、elemtype 和 dataqsiz
*/
var c *hchan
switch {
case mem == 0:
// 创建无缓冲的 chan ，buf==0 ，初始化 hchan
c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true)) // hchanSize表示空hchan需要占用的字节
c.buf = c.raceaddr() // raceaddr内部实现为：return unsafe.Pointer(&c.buf)
case elem.ptrdata == 0:
// 有缓存区，并且队列中不存在指针，分配连续地址空间，大小为 hchanSize + mem
c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true))
// buf指针指向空hchan占用空间的末尾
c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)
default:
// 队列包含指针类型
// 为buf单独开辟mem大小的空间，用来保存所有的数据
c = new(hchan)
c.buf = mallocgc(mem, elem, true)
}
c.elemsize = uint16(elem.size) // 元素大小
c.elemtype = elem // 元素类型
c.dataqsiz = uint(size) // chan 缓存区大小
lockInit(&c.lock, lockRankHchan) // 初始化锁
if debugChan {
print("makechan: chan=", c, "; elemsize=", elem.size, "; dataqsiz=", size, "\n")
}
return c
}
（三）发送
ch <- 1
执行 runtime.chansend1(SB)
- 异常检查：
- 发送到 nil chan 中，阻塞挂起
- 往 closed chan 发送（写），则 panic
- 当前 chan 是否可以发送
- 同步发送：recvq 中存在等待接收者，则直接唤醒并发送数据
- 异步发送：c.qcount < c.dataqsiz 缓存区空闲，则数据发送到缓存区
- 阻塞发送：当前面都不满足时 且 block = true 时：发送操作 线程阻塞 挂起，并且添加到 sendq 等待队列，直到有接收者接收才释放
/**
* @Description:
chansend函数主要可以归纳为四部分：
异常检查、同步发送、异步发送、阻塞发送：
* @Param:c：hchan结构；ep：发送的元素；block：是否阻塞；callerpc：
* @return: true发送成功，false发送失败
*/
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
// ------------------------------------ 1.异常检查 ------------------------------------
if c == nil {
if !block {
return false
}
gopark(nil, nil, waitReasonChanSendNilChan, traceEvGoStop, 2) // 发送到 nil chan 中，阻塞挂起
throw("unreachable")
}
..........
// 当channel不为nil，此时检查channel是否做好接收发送操作的准备，
if !block && c.closed == 0 && full(c) {
return false // 非阻塞且未关闭: 1. 无缓存区，recvq为空 2. 有缓冲区，但是buffer已满
}
lock(&c.lock) // 先上锁
if c.closed != 0 { // chan已经关闭，则解锁
unlock(&c.lock)
panic(plainError("send on closed channel")) // 往 closed chan 发送（写），则 panic
}
// ------------------------------------ 2.同步发送 ------------------------------------
// recvq 中存在等待接收者，则直接唤醒并发送数据
if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {
send(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3) // recvq 等待队列取取出 sg（sudog）并唤醒并发送数据 ep
return true
}
// ------------------------------------ 3.异步发送 ------------------------------------
// （有缓存区，没有等待接收者，先发到缓冲区中，等有接收者再去读）
if c.qcount < c.dataqsiz { // 存在的元素个数< 缓冲区：说明缓存区可以继续写数据
qp := chanbuf(c, c.sendx) // 获取缓存区index地址
typedmemmove(c.elemtype, qp, ep) // 数据写入buffer
c.sendx++ // 发送数据的下标++
if c.sendx == c.dataqsiz { // 当发送数据的下标等于缓冲区，表数据发送完毕，从头开始
c.sendx = 0
}
c.qcount++ // 元素数量++
unlock(&c.lock) // 解锁
return true // 返回结果
}
if !block {
unlock(&c.lock) // 解锁
return false
}
// ------------------------------------ 4. 阻塞发送 ------------------------------------
// 当前面都不满足时（没有等待接收者，没有空闲缓冲区） 且 block = true 时，发送操作 线程阻塞 挂起，直到有接收者接收才释放：
gp := getg()
..........
c.sendq.enqueue(mysg) // 将发送 的 sg 添加到 sendq 等待队列中
return true
}
func full(c *hchan) bool {
if c.dataqsiz == 0 { // 无缓冲
return c.recvq.first == nil
}
// 有缓冲，现有元素的个数 是否等于 缓冲区容量时（缓冲区满）
return c.qcount == c.dataqsiz
}
func send(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
......
if sg.elem != nil {
sendDirect(c.elemtype, sg, ep) // 将数据拷贝到接收变量的内存地址上
sg.elem = nil
}
gp := sg.g
unlockf()
gp.param = unsafe.Pointer(sg)
sg.success = true
if sg.releasetime != 0 {
sg.releasetime = cputicks()
}
goready(gp, skip+1) // 唤醒sudog协程；下一轮调度时会唤醒这个接收的 goroutine。
}
// 实现了等待队列的入队操作。它将一个元素添加到等待队列的末尾，并更新队列的 first 和 last 指针
func (q *waitq) enqueue(sgp *sudog) {
sgp.next = nil // 表示该元素是队列的最后一个
x := q.last // 将等待队列 q 中的最后一个元素（如果存在）赋值给变量 x。
if x == nil { // 如果队列中最后一个都没有，则队列无元素，即 x 为 nil，
sgp.prev = nil // 则将 sgp 元素的 prev 指针设为 nil，表示该元素是队列中的第一个元素，
q.first = sgp // 然后将队列的 first 和 last 指针都指向该元素，表示该元素是队列中唯一的元素。
q.last = sgp // 然后直接返回，结束入队操作。
return
}
sgp.prev = x // sgp 是新加的最后元素，需要关联前一个元素（x为原队列中最后一个元素）
x.next = sgp // 设置x的的下一个元素为新加的元素
q.last = sgp // 设置q队列的最后一个元素
}
（四）接收
i <- ch i, ok <- ch
执行 runtime.chanrecv1(SB) 都是调用的 chanrecv()
- 异常检查：
- 从 nil chan 中读取，阻塞挂起
- 从 closed chan 接收（读），返回零值
- 当前 chan 是否可以接收
- 同步接收：sendq 中存在发送者，则直接唤醒并接收数据
- 异步接收：c.qcount 队列中有元素，则则从 buf 中读取数据
- 阻塞接收：当前面都不满足时 且 block = true 时：接收操作 线程阻塞 挂起，并且添加到 recvq 等待队列，直到有发送者才释放
chanrecv 函数的逻辑和 chansend 的逻辑基本一致
（五）关闭
close(ch)
closechan(c *hchan)
主要逻辑：
- 异常检查：
- 关闭 nil chan ，panic
- 关闭 closed chan，panic
- 标记 chan 为关闭状态
- 释放等待的 sudog： 唤醒并调度等待队列 recvq、sendq 中的 sudog，所有接收者收到零值
func closechan(c *hchan) {
// ------------------------------------ 1. 异常检查 ------------------------------------
if c == nil {
panic(plainError("close of nil channel")) // 关闭 nil chan ，panic
}
lock(&c.lock) // 上锁
if c.closed != 0 {
unlock(&c.lock)
panic(plainError("close of closed channel")) // 关闭 closed chan，panic
}
c.closed = 1 // 标识chan已经关闭
// ------------------------------------ 2. 释放等待的 sudog ------------------------------------
var glist gList // 存储 recvq、sendq 等待队列中的 sg（sudog）
for {
sg := c.recvq.dequeue() // 将 recvq 等待队列中的 sg（sudog） 添加到 glist
......
glist.push(gp)
}
for {
sg := c.sendq.dequeue() // 将 sendq 等待队列中的 sg（sudog） 添加到 glist
......
glist.push(gp)
}
unlock(&c.lock) // 解锁
for !glist.empty() { //依次从 glist 中弹出 sg（sudog）并唤醒执行，所有接收者收到零值
gp := glist.pop()
gp.schedlink = 0
goready(gp, 3)
}
}
三、常见问题
1.为什么要使用环形队列
chan 的内部使用环形队列来存取元素，每次发/收元素时，会根据 sendx/recvx 记录的位置从队列 buf 中存取元素，
所以环形队列：buf+sendx+recvx 实现的，
使用环形数组实现的好处：
-
避免对数组进行复制或者移动操作
比如数组【1，2，3】，现在添加 4，变为【2，3，4】，数组就需要进行复制拷贝操作，如果是环形队列，则直接将 4 添加到队列的尾部即可，
-
避免内存分配和拷贝的开销，从而提高程序的性能
重复利用，避免重新分配内存
2. 关于 chan 的操作
参考资料
Go 源码解析——Channel 篇 - 掘金 (juejin.cn)
