深入理解channel:设计+源码

channel是大家在Go中用的最频繁的特性,也是Go最自豪的特性之一,你有没有思考过:

  • Why:为什么要设计channel?
  • What:channel是什么样的?
  • How:channel是如何实现的?

这篇文章,就来回答这3个问题。

channel解决什么问题?

在Golang诞生之前,各编程语言都使用多线程进行编程,但多线程复杂、混乱、难以管理,对开发者并不是多么友好。

Golang是Google为了解决高并发搜索而设计的,它们想使用简单的方式,高效解决并发问题,最后做成了,然后又把Golang开源了出来,以及到处推广,所以Golang自从诞生之初,就风风火火。

从Golang文档中,我们可以知道,为啥Golang设计了channel,以及channel解决了什么问题?

Go Concurrency Patterns:

Concurrency is the key to designing high performance network services. Go’s concurrency primitives (goroutines and channels) provide a simple and efficient means of expressing concurrent execution. In this talk we see how tricky concurrency problems can be solved gracefully with simple Go code.

Golang使用goroutinechannel简单、高效的解决并发问题,channel解决的是goroutine之间的通信

channel是怎么设计的?

我们以为channel是一个通道:

实际上,channel的内在是这样的:

channel设计涉及的数据结构很简单:

  • 基于数组的循环队列,有缓冲的channel用它暂存数据
  • 基于链表的单向队列,用于保存阻塞在此channel上的goroutine

我本来想自己码一篇channel的设计文章,但已经有大牛:Kavya深入分析了Channel的设计,我也相信自己写的肯定不如他好,所以我把Kavya在Gopher Con上的PPT推荐给你,如果你希望成为Go大牛,你一定要读一下,现在请收藏好

Kavya在Gopher Con上的演讲主题是:理解channel,他并不是教你如何使用channel,而是把channel的设计和goroutine的调度结合起来,从内在方式向你介绍。这份PPT足足有80页,包含了大量的动画,非常容易理解,你会了解到:

  • channel的创建
  • 各种场景的发送和接收
  • goroutine的调度
  • goroutine的阻塞和唤醒
  • channel和goroutine在select操作下

Kavya的PPT应该包含了channel的80%的设计思想,但也有一些缺失,需要你阅读源码:

  • channel关闭时,gorontine的处理
  • 创建channel时,不同的创建方法
  • 读channel时的非阻塞操作

PPT在此:Understanding Channels,如果你有心,还可以在这个网站看到Kavya关于goroutine调度的PPT,福利哦😝。(访问不了请翻墙,或阅读原文从博客文章最下面看Github备份)

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channel是怎么实现的?

chan.go是channel的主要实现文件,只有700行,十分佩服Go团队,实现的如此精简,却发挥如此大的作用!!!

看完Kavya的PPT,你已经可以直接看channel的源码了,如果有任何问题,思考一下你也可以想通,如果有任何问题可博客文章留言或公众号私信进行讨论。

另外,推荐一篇在Medium(国外高质量文章社区)上获得500+赞的源码分析文章,非常详细。

文章链接:Diving deep into the golang channels

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我学到了什么?

阅读channel源码我学到了一些东西,分享给大家。

channel的4个特性的实现:

  • channel的goroutine安全,是通过mutex实现的。
  • channel的FIFO,是通过循环队列实现的。
  • channel的通信:在goroutine间传递数据,是通过仅共享hchan+数据拷贝实现的。
  • channel的阻塞是通过goroutine自己挂起,唤醒goroutine是通过对方goroutine唤醒实现的。

channel的其他实现:

  • 发送goroutine是可以访问接收goroutine的内存空间的,接收goroutine也是可以直接访问发送goroutine的内存空间的,看sendDirectrecvDirect函数。
  • 无缓冲的channel始终都是直接访问对方goroutine内存的方式,把手伸到别人的内存,把数据放到接收变量的内存,或者从发送goroutine的内存拷贝到自己内存。省掉了对方再加锁获取数据的过程。
  • 接收goroutine读不到数据和发送goroutine无法写入数据时,是把自己挂起的,这就是channel的阻塞操作。阻塞的接收goroutine是由发送goroutine唤醒的,阻塞的发送goroutine是由接收goroutine唤醒的,看goparkgoready函数在chan.go中的调用。
  • 接收goroutine当channel关闭时,读channel会得到0值,并不是channel保存了0值,而是它发现channel关闭了,把接收数据的变量的值设置为0值。
  • channel的操作/调用,是通过reflect实现的,可以看reflect包的makechan, chansend, chanrecv函数。
  • channel关闭时,所有在channel上读数据的g都会收到通知。其实并非关闭channel的g给每个接收的g发送信号,而是关闭channel的g,把channel关闭后,会唤醒每一个读取channel的g,它们发现channel关闭了,把待读的数据设置为零值并返回,所以这并非一次性的事件通知,。看到这种本质,你应当理解下面这种奇淫巧计:这种“通知”效果并不一定需要接收数据的g先启动,先把channel关闭了,然后启动读取channel的g依然是可行的,代码无需任何改变,任何逻辑也都无需改变,它会发现channel关闭了,然后走原来的逻辑。

如果阅读chan_test.go还会学到一些骚操作,比如:

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if <-stopCh {
// do stop
}

而不是写成:

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3
if stop := <-stopCh; stop {
// do stop
}

这就是关于channel的设计和实现的分享,希望你通过Kavya的PPT和代码阅读能深入了解channel。

链接

  1. 如果这篇文章对你有帮助,不妨关注下我的Github,有文章会收到通知。
  2. 本文作者:大彬
  3. 如果喜欢本文,随意转载,但请保留此原文链接:http://www.lessisbetter.site/2019/03/03/golang-channel-design-and-source/

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