转载自：go channel原理及使用场景
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源码解析
type hchan struct {
qcount uint // Channel 中的元素个数
dataqsiz uint // Channel 中的循环队列的长度
buf unsafe.Pointer // Channel 的缓冲区数据指针
elemsize uint16 // 当前 Channel 能够收发的元素大小
closed uint32
elemtype *_type // 当前 Channel 能够收发的元素类型
sendx uint // Channel 的发送操作处理到的位置
recvx uint // Channel 的接收操作处理到的位置
recvq waitq // 当前 Channel 由于缓冲区空间不足而阻塞的 Goroutine 列表，双向链表(sugog)
sendq waitq // 当前 Channel 由于缓冲区空间不足而阻塞的 Goroutine 列表，双向链表(sugog)
// 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
}
创建channel
channel的初始化有2种，一种是没有缓冲区的channel，一种是有缓冲区的channel。对应的初始化之后hchan也是有区别的。
无缓冲区的channel，初始化的时候只为channel分配内存，缓冲区dataqsiz的长度为0
有缓冲的channel，初始化时会为channel和缓冲区分配内存，dataqsiz长度大于0
同时channel的元素大小和缓冲区的长度都是有大小限制的
func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
elem := t.elem
// compiler checks this but be safe.
if elem.size >= 1<<16 {
throw("makechan: invalid channel element type")
}
if hchanSize%maxAlign != 0 || elem.align > maxAlign {
throw("makechan: bad alignment")
}
// 如果内存超了，或者分配的内存大于channel最大分配内存，或者分配的size小于0，直接Panic
mem, overflow := math.MulUintptr(elem.size, uintptr(size))
if overflow || mem > maxAlloc-hchanSize || size < 0 {
panic(plainError("makechan: size out of range"))
}
// Hchan does not contain pointers interesting for GC when elements stored in buf do not contain pointers.
// buf points into the same allocation, elemtype is persistent.
// SudoG's are referenced from their owning thread so they can't be collected.
// TODO(dvyukov,rlh): Rethink when collector can move allocated objects.
var c *hchan
switch {
case mem == 0:
// 如果没有缓冲区，分配一段内存
c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true))
// Race detector uses this location for synchronization.
c.buf = c.raceaddr()
case elem.ptrdata == 0:
// 有缓冲时，如果元素不包含指针类型,会为当前的 Channel 和底层的数组分配一块连续的内存空间
c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true))
c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)
default:
// 有缓冲区，且元素包含指针类型，channel和buf数组各自分配内存
c = new(hchan)
c.buf = mallocgc(mem, elem, true)
}
// 元素大小，元素类型，循环数组长度，更新到channel
c.elemsize = uint16(elem.size)
c.elemtype = elem
c.dataqsiz = uint(size)
lockInit(&c.lock, lockRankHchan)
if debugChan {
print("makechan: chan=", c, "; elemsize=", elem.size, "; dataqsiz=", size, "\n")
}
return c
}
发送数据(ch <- i)
-
发送数据前会加锁，防止多个线程并发修改数据。如果channel已经关闭，直接Panic
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
lock(&c.lock)
if c.closed != 0 {
unlock(&c.lock)
panic(plainError("send on closed channel"))
}
-
当存在等待的接收者时，通过 runtime.send 直接将数据发送给阻塞的接收者
当channel的recvq队列不为空，而且channel是没有数据数据写入的。这个时候如果有数据写入，会直接把数据拷贝到接收者变量所在的内存地址上。即使这是一个有缓冲的channel，当有等待的接收者时，也是直接给接收者，不会先保存到循环队列
// 如果目标 Channel 没有被关闭并且已经有处于读等待的 Goroutine，那么 runtime.chansend 会从接收队列 recvq 中取出最先陷入等待的 Goroutine 并直接向它发送数据
if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {
send(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
return true
}
//
func send(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
if sg.elem != nil {
// 调用 runtime.sendDirect 将发送的数据直接拷贝到 x = <-c 表达式中变量 x 所在的内存地址上
sendDirect(c.elemtype, sg, ep)
sg.elem = nil
}
gp := sg.g
unlockf()
gp.param = unsafe.Pointer(sg)
// 调用 runtime.goready 将等待接收数据的 Goroutine 标记成可运行状态 Grunnable 并把该 Goroutine 放到发送方所在的处理器的 runnext 上等待执行，该处理器在下一次调度时会立刻唤醒数据的接收方；
// 需要注意的是，发送数据的过程只是将接收方的 Goroutine 放到了处理器的 runnext 中，程序没有立刻执行该 Goroutine
goready(gp, skip+1)
}
-
当缓冲区存在空余空间时，将发送的数据写入 Channel 的缓冲区
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
...
// 如果当前元素数小于循环队列的长度
if c.qcount < c.dataqsiz {
// 使用 runtime.chanbuf 计算出下一个可以存储数据的位置
qp := chanbuf(c, c.sendx)
// 将发送的数据拷贝到缓冲区中
typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)
// 发送的位置索引+1
c.sendx++
// 如果循环队列满了就从0开始
// 因为这里的 buf 是一个循环数组，所以当 sendx 等于 dataqsiz 时会重新回到数组开始的位置
if c.sendx == c.dataqsiz {
c.sendx = 0
}
// 增加当前元素数
c.qcount++
unlock(&c.lock)
return true
}
...
}
-
当不存在缓冲区或者缓冲区已满时，等待其他 Goroutine 从 Channel 接收数据
当因为不存在缓冲区或者缓冲区已满无法写入时，会构造sudog等待执行的gorutine结构，放到hchan的等待队列中，直到被唤醒，把数据放到缓冲区或者直接拷贝给接收者
func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
...
// 使用 select 关键字可以向 Channel 非阻塞地发送消息
if !block {
unlock(&c.lock)
return false
}
// 获取发送数据使用的 Goroutine
gp := getg()
// 获取 runtime.sudog 结构
mysg := acquireSudog()
// 设置待发送数据的内存地址
mysg.elem = ep
// 设置发送数据的goroutine
mysg.g = gp
mysg.isSelect = false
// 设置发送的channel
mysg.c = c
// 设置到goroutine的waiting上
gp.waiting = mysg
// 加入到发送等待队列
c.sendq.enqueue(mysg)
// 阻塞等待唤醒
atomic.Store8(&gp.parkingOnChan, 1)
gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanSend, traceEvGoBlockSend, 2)
KeepAlive(ep)
// someone woke us up.
if mysg != gp.waiting {
throw("G waiting list is corrupted")
}
gp.waiting = nil
gp.activeStackChans = false
closed := !mysg.success
gp.param = nil
if mysg.releasetime > 0 {
blockevent(mysg.releasetime-t0, 2)
}
mysg.c = nil
releaseSudog(mysg)
if closed {
if c.closed == 0 {
throw("chansend: spurious wakeup")
}
panic(plainError("send on closed channel"))
}
return true
}
接收数据(<- ch)
-
从一个空 Channel 接收数据
goroutine会让出使用权，并阻塞等待
if c == nil {
if !block {
return
}
// 让出使用权
gopark(nil, nil, waitReasonChanReceiveNilChan, traceEvGoStop, 2)
throw("unreachable")
}
// 不获取锁的情况下，检查失败的非阻塞操作
if !block && empty(c) {
// 显示未关闭，继续返回false，因为channel不会重新打开
if atomic.Load(&c.closed) == 0 {
return
}
if empty(c) {
// The channel is irreversibly closed and empty.
if raceenabled {
raceacquire(c.raceaddr())
}
// Channel 已经被关闭并且缓冲区中不存在任何数据，那么会清除 ep 指针中的数据并立刻返回
if ep != nil {
typedmemclr(c.elemtype, ep)
}
return true, false
}
}
var t0 int64
if blockprofilerate > 0 {
t0 = cputicks()
}
lock(&c.lock)
if c.closed != 0 && c.qcount == 0 {
if raceenabled {
raceacquire(c.raceaddr())
}
unlock(&c.lock)
// Channel 已经被关闭并且缓冲区中不存在任何数据，那么会清除 ep 指针中的数据并立刻返回
if ep != nil {
typedmemclr(c.elemtype, ep)
}
return true, false
}
-
当存在等待的发送者时，通过 runtime.recv 从阻塞的发送者或者缓冲区中获取数据
如果是无缓冲的channel，当有接收者进来时，会直接从阻塞的发送者拷贝数据
如果是有缓冲的channel，当有接收者进来时，会先从缓冲区拿数据，接着等待的发送者会把数据拷贝到缓冲区
注意这个时候并没有直接去唤醒发送者，而是放到下次p的执行队列中中，下次调度时会唤醒发送者，发送者会做一些释放资源的操作
if sg := c.sendq.dequeue(); sg != nil {
recv(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
return true, true
}
func recv(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
if c.dataqsiz == 0 {
if raceenabled {
racesync(c, sg)
}
if ep != nil {
// 如果无缓存，直接从发送者拷贝数据
recvDirect(c.elemtype, sg, ep)
}
} else {
// 由于队列已满，接收数据的索引和发送数据的索引一致
qp := chanbuf(c, c.recvx)
if raceenabled {
racenotify(c, c.recvx, nil)
racenotify(c, c.recvx, sg)
}
// 数据从队列拷贝到目标内存地址
if ep != nil {
typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
}
// 数据从发送者拷贝到缓冲区
typedmemmove(c.elemtype, qp, sg.elem)
c.recvx++
if c.recvx == c.dataqsiz {
c.recvx = 0
}
c.sendx = c.recvx // c.sendx = (c.sendx+1) % c.dataqsiz
}
sg.elem = nil
gp := sg.g
unlockf()
gp.param = unsafe.Pointer(sg)
sg.success = true
if sg.releasetime != 0 {
sg.releasetime = cputicks()
}
// 无论发生哪种情况，运行时都会调用 runtime.goready 将当前处理器的 runnext 设置成发送数据的 Goroutine，在调度器下一次调度时将阻塞的发送方唤醒。
goready(gp, skip+1)
}
-
当缓冲区存在数据时，从 Channel 的缓冲区中接收数据
if c.qcount > 0 {
// 直接从队列取数据
qp := chanbuf(c, c.recvx)
if raceenabled {
racenotify(c, c.recvx, nil)
}
// 放到目标内存
if ep != nil {
typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
}
// 清空队列中对应的元素
typedmemclr(c.elemtype, qp)
// 接收索引+1
c.recvx++
if c.recvx == c.dataqsiz {
c.recvx = 0
}
// 队列元素-1
c.qcount--
unlock(&c.lock)
return true, true
}
-
当缓冲区中不存在数据时，等待其他 Goroutine 向 Channel 发送数据
if !block {
unlock(&c.lock)
return false, false
}
// no sender available: block on this channel.
gp := getg()
mysg := acquireSudog()
mysg.releasetime = 0
if t0 != 0 {
mysg.releasetime = -1
}
// No stack splits between assigning elem and enqueuing mysg
// on gp.waiting where copystack can find it.
mysg.elem = ep
mysg.waitlink = nil
gp.waiting = mysg
mysg.g = gp
mysg.isSelect = false
mysg.c = c
gp.param = nil
c.recvq.enqueue(mysg)
// 阻塞等待，让出使用权
atomic.Store8(&gp.parkingOnChan, 1)
gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanReceive, traceEvGoBlockRecv, 2)
// 唤醒之后清空sudog
if mysg != gp.waiting {
throw("G waiting list is corrupted")
}
gp.waiting = nil
gp.activeStackChans = false
if mysg.releasetime > 0 {
blockevent(mysg.releasetime-t0, 2)
}
success := mysg.success
gp.param = nil
mysg.c = nil
releaseSudog(mysg)
return true, success
关闭channel
-
当 Channel 是一个空指针或者已经被关闭时，Go 语言运行时都会直接崩溃并抛出异常
func closechan(c *hchan) {
if c == nil {
panic(plainError("close of nil channel"))
}
lock(&c.lock)
if c.closed != 0 {
unlock(&c.lock)
panic(plainError("close of closed channel"))
}
-
将 recvq 和 sendq 两个队列中的数据加入到 Goroutine 列表 gList 中，与此同时该函数会清除所有 runtime.sudog 上未被处理的元素
c.closed = 1
var glist gList
// release all readers
for {
sg := c.recvq.dequeue()
if sg == nil {
break
}
if sg.elem != nil {
typedmemclr(c.elemtype, sg.elem)
sg.elem = nil
}
if sg.releasetime != 0 {
sg.releasetime = cputicks()
}
gp := sg.g
gp.param = unsafe.Pointer(sg)
sg.success = false
if raceenabled {
raceacquireg(gp, c.raceaddr())
}
glist.push(gp)
}
// release all writers (they will panic)
for {
sg := c.sendq.dequeue()
if sg == nil {
break
}
sg.elem = nil
if sg.releasetime != 0 {
sg.releasetime = cputicks()
}
gp := sg.g
gp.param = unsafe.Pointer(sg)
sg.success = false
if raceenabled {
raceacquireg(gp, c.raceaddr())
}
glist.push(gp)
}
unlock(&c.lock)
// 为所有被阻塞的 Goroutine 调用 runtime.goready 触发调度。
for !glist.empty() {
gp := glist.pop()
gp.schedlink = 0
goready(gp, 3)
}
使用场景
报错情形
- 往一个关闭的channel发送数据会报错：panic: send on closed channel
- 关闭一个nil的chan会报错：panic: close of nil channel
- 关闭一个已经关闭的channel报错：panic: close of closed channel
1、一个经典的算法题
有4个goroutine，编号为1、2、3、4。每秒钟会有一个goroutine打印出自己的编号，要求写一个程序，让输出的编号总是按照1、2、3、4、1、2、3、4...的顺序打印出来
package main
import (
"fmt"
"time"
)
func main() {
// 4个channel
chs := make([]chan int, 4)
for i, _ := range chs {
chs[i] = make(chan int)
// 开4个协程
go func(i int) {
for {
// 获取当前channel值并打印
v := <-chs[i]
fmt.Println(v + 1)
time.Sleep(time.Second)
// 把下一个值写入下一个channel，等待下一次消费
chs[(i+1)%4] <- (v + 1) % 4
}
}(i)
}
// 往第一个塞入0
chs[0] <- 0
select {}
}
2、限流器
package main
import (
"fmt"
"time"
)
func main() {
// 每次处理3个请求
chLimit := make(chan struct{}, 3)
for i := 0; i < 20; i++ {
chLimit <- struct{}{}
go func(i int) {
fmt.Println("下游服务处理逻辑...", i)
time.Sleep(time.Second * 3)
<-chLimit
}(i)
}
time.Sleep(30 * time.Second)
}
如果觉得sleep太丑太暴力，可以用waitGroup控制结束时机
package main
import (
"fmt"
"sync"
"time"
)
var wg sync.WaitGroup
func main() {
// 每次处理3个请求
chLimit := make(chan struct{}, 3)
for i := 0; i < 20; i++ {
chLimit <- struct{}{}
wg.Add(1)
go func(i int) {
fmt.Println("下游服务处理逻辑...", i)
time.Sleep(time.Second * 3)
<-chLimit
wg.Done()
}(i)
}
wg.Wait()
}
3、优雅退出
package main
import (
"fmt"
"log"
"os"
"os/signal"
"syscall"
"time"
)
func main() {
var closing = make(chan struct{})
var closed = make(chan struct{})
go func() {
for {
select {
case <-closing:
return
default:
fmt.Println("业务逻辑...")
time.Sleep(1 * time.Second)
}
}
}()
termChan := make(chan os.Signal)
// 监听退出信号
signal.Notify(termChan, syscall.SIGINT, syscall.SIGTERM)
<-termChan
// 退出中
close(closing)
// 退出之前清理一下
go doCleanup(closed)
select {
case <-closed:
case <-time.After(time.Second):
log.Println("清理超时不等了")
}
log.Println("优雅退出")
}
func doCleanup(closed chan struct{}) {
time.Sleep(time.Minute)
// 清理完后退出
close(closed)
}
4、实现互斥锁
初始化一个缓冲区为1的channel，放入元素代表一把锁，谁获取到这个元素就代表获取了这把锁，释放锁的时候再把这个元素放回channel
package main
import (
"log"
"time"
)
type Mutex struct {
ch chan struct{}
}
// 初始化锁
func NewMutex() *Mutex {
mu := &Mutex{make(chan struct{}, 1)}
mu.ch <- struct{}{}
return mu
}
// 加锁，阻塞获取
func (m *Mutex) Lock() {
<- m.ch
}
// 释放锁
func (m *Mutex) Unlock() {
select {
// 成功写入channel代表释放成功
case m.ch <- struct{}{}:
default:
panic("unlock of unlocked mutex")
}
}
// 尝试获取锁
func (m *Mutex) TryLock() bool {
select {
case <-m.ch:
return true
default:
}
return false
}
func (m *Mutex) LockTimeout(timeout time.Duration) bool {
timer := time.NewTimer(timeout)
select {
case <-m.ch:
// 成功获取锁关闭定时器
timer.Stop()
return true
case <-timer.C:
}
// 获取锁超时
return false
}
// 是否上锁
func (m *Mutex) IsLocked() bool {
return len(m.ch) == 0
}
func main() {
m := NewMutex()
ok := m.TryLock()
log.Printf("locked v %v\n", ok)
ok = m.TryLock()
log.Printf("locked v %v\n", ok)
go func() {
time.Sleep(5*time.Second)
m.Unlock()
}()
ok = m.LockTimeout(10*time.Second)
log.Printf("LockTimeout v %v\n", ok)
}
参考:
极刻时间《go 并发编程实战》
文章标题：go channel原理及使用场景
文章起源：
http://www.cdkjz.cn/article/dsoicdd.html
