Go-Channel的使用和底层原理（上）

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2023年08月16日 16:46 · 阅读数 19

前言

channel是Go语言的核心类型，可以理解为管道，通过channel并发核心单元就可以发送或者接收数据进行通讯。Go的Goroutine是实际并发执行的实体，Goroutine通过channel来实现通信。通道的特性像队列，遵循先进先出（FIFO）规则，保证收发数据的顺序。

写之前在列举关于channel的章节时，发现一篇文章出来的话会篇幅过长，所以打算分为上下两篇进行整理，上篇主要是一些使用和底层结构以及channel的创建，下篇主要在收发以及关闭channel的代码和逻辑上面。

1：声明和初始化

通道的声明如下：

var 通道变量 chan 通道类型
var ch1 chan int

声明后的通道类型是空值nil，给一个nil channel发送数据，造成永远阻塞、从一个nil channel接收数据，造成永远阻塞，就像 map 和 slice 数据类型一样, channel必须进行make后才能使用

//通道实例 = make(chan 数据类型, 容量)
ch1 := make(chan int, 10)

容量代表Channel容纳的最多的元素的数量，代表Channel的缓存的大小，如果没有设置容量，或者容量设置为0, 说明Channel没有缓存，在后面的channel的类型中会说到不同类型channel的区别。

2：基本操作

channel的操作符是<-，箭头的方向就是数据流向

// 发送值v到Channel ch1中
ch1 <- v    

// 从Channel ch1中接收数据，并将数据赋值给v
v := <-ch1 
 
// 关闭channel
close(ch1)

3：channel的类型

3.1：无缓冲channel

无缓冲channel表示发送者必须等待数据被接收者接收才会继续发送到channel中

// make(chan int) 创建的就是无缓冲通道
func main() {
 ch := make(chan int)
 ch <- 1
}
//上面的代码运行会报错：fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

deadlock表示程序中的 goroutine 都被挂起导致程序死锁了，无缓冲通道必须至少有一个接收方才能发送成功，同理至少有一个发送放才能接收成功，可以将上面代码稍加改造就可以解决这个问题了，如下：

// 解决无缓冲通道死锁问题
// 这里也是常考题，不懂channel的特新很容易出错
func recv(c chan int) {
 ret := <-c
}

func main() {
 ch := make(chan int)
 // 创建一个 goroutine 从通道接收值
 go recv(ch) 
 ch <- 10
}

3.2：有缓冲channel

有缓冲通道顾名思义，就是有缓冲区接收发送者的数据，除非缓冲区已满，继续往缓冲区发送才会阻塞

 func main() {
 // 创建一个容量为3的有缓冲channel
 ch := make(chan int, 2) 
 // 此时有缓冲channel容量为3，当前元素个数为1，可用存放元素个数是2
 ch <- 1
}

3.3：单向通道

// 只能接收（只能往外边取，只读）
<- chan int 
// 只能发送（只能往里写，只写）
chan <- int

4：底层数据结构hchan

我一开始在看关于channel的时候总是不知道它的底层数据结构是什么样，在哪里。后面看了Go的编译链接过程才知道，make是一个内置函数，在编译的时候会将一些关键字和内建函数转换成函数调用，比如make(chan int)会转为 makechan64或者makechan（在src/runtime/chan.go文件中）【makechan64()函数是处理缓冲区大小大于 2 的 32 次方的情况】

type hchan struct {
    qcount   uint           // 当前队列中剩余元素个数
    dataqsiz uint           // 环形队列长度，即可以存放的元素个数
    buf      unsafe.Pointer // 环形队列指针
    elemsize uint16         // 每个元素的大小
    closed   uint32         // 标识关闭状态
    elemtype *_type         // 元素类型
    sendx    uint           // 队列下标，指示元素写入时存放到队列中的位置
    recvx    uint           // 队列下标，指示元素从队列的该位置读出
    recvq    waitq          // 等待读消息的goroutine队列，即等待接收队列
    sendq    waitq          // 等待写消息的goroutine队列，即等待发送队列
    lock     mutex          // 互斥锁，chan不允许并发读写
}

并且 makechan是返回一个channel的指针 *chan，这就是为什么channel是指针类型

func makechan64(t *chantype, size int64) *hchan {
 if int64(int(size)) != size {
  panic(plainError("makechan: size out of range"))
 }

 return makechan(t, int(size)) //调用的也是makechan
}

func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
 ...
}

4.1：图解hchan

怎么理解上面这个结构体呢，画个图来看看吧，理解下hchan结构体在channel初始化时字段的意思，如何组成一个环形队列的。

Go-Channel的使用和底层原理（上）

通过图进一步说明：

qcount = 4表示channel中队列剩余4个元素
datasiz = 8表示channel的容量是8，可以存放8个元素
buf 是指向队列的内存 closed: 用来标识channel的状态，0：关闭，!0 标识已关闭，如果关闭，那就不能发送数据

4.2：什么是 recvq 和 sendq

为什么会出现等待读消息的 recvq 队列和等待写消息的 sendq队列呢？通过源码我们知道这两个元素都是双向链表 waitq，链表中的元素都是sudog结构

type waitq struct {
 first *sudog
 last  *sudog
}

1：向channel发送数据的时候，如果缓冲区为满了，并且没有任何接收者等待，当前goroutine会被阻塞，被阻塞的goroutine会被挂起到 hchan的 sendq，等待从channel读数据的goroutine唤醒

2：从channel的缓冲队列读数据时，如果缓冲队列为空，当前goroutine会被阻塞，被阻塞的goroutine会被挂起到 hchan的 recvq，等待向channel写数据的 goroutine 唤醒

这样写可能理解起来思路不够清晰，在后面的channel的读写原理中将结合代码将具体的读写流程解释清楚

5：channel是怎么创建的

Go在编译的时候，会将一些关键字和内建函数转换成函数调用，channel的创建是调用了makechan 函数，最终返回一个hchan指针类型的对象，方法在

src/runtime/chan.go。

func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
 elem := t.elem

 // 检查hchan的size大小
 if elem.size >= 1<<16 {
  throw("makechan: invalid channel element type")
 }
 //检查对齐
 if hchanSize%maxAlign != 0 || elem.align > maxAlign {
  throw("makechan: bad alignment")
 }

 mem, overflow := math.MulUintptr(elem.size, uintptr(size))
 if overflow || mem > maxAlloc-hchanSize || size < 0 {
  panic(plainError("makechan: size out of range"))
 }
 var c *hchan
 switch {
 case mem == 0:
  //  队列或者元素大小为 zero 时，
  c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true))
  // 用这个地址进行同步操作
  c.buf = c.raceaddr()
 case elem.ptrdata == 0:
  // hchan后面在内存里紧跟着就是buf环形队列
  c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true))
  c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)
 default:
  // 元素包含指针，分配环形队列地址给 hchan.buf
  c = new(hchan)
  c.buf = mallocgc(mem, elem, true)
 }
 // 设置 hchan的元素个数、类型、容量
 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
}

总结

上篇就介绍这些，通过对channel的使用和有缓冲和无缓冲的接收，大家对channel的使用有比较清楚的印象，下篇文章将会更加精彩，对收发流程和代码实现进行更深层的探讨