Go 协程通信channel 的内部实现原理

大多数的编程语言的并发编程模型是基于线程和内存同步，而Golang 的并发编程的模型则用 goroutine 和 channel 来替代，groutine用于执行并发任务，channel用于并发控制以及goroutine的通信。这次跟随一个demo探索一下channel底层的奥秘。

channel数据结构

type hchan struct {
    
    
   // chan里元素数量
   qcount   uint
   // chan维护的数组的长度
   dataqsiz uint
   // 维护的数组的指针
   buf      unsafe.Pointer
   // chan中元素大小
   elemsize uint16
   // chan是否被关闭的标志
   closed   uint32
   // chan 中元素类型
   elemtype *_type
   // 已发送元素在循环数组中的索引
   sendx    uint
   // 已接收元素在循环数组中的索引
   recvx    uint
   // 等待接收的goroutine队列
   recvq    waitq
   // 等待发送的goroutine队列
   sendq    waitq
   // 保证对chan的读写是原子操作
   lock mutex
}

可将其抽象化为下图，便于理解。
在这里插入图片描述

示例代码

/*
示例说明：channel容量为3，设置六个发送，构造goroutine被阻塞状态，
八个接收，构造接收的G阻塞状态场景，便于探秘channel运作过程。
*/
func main() {
    
    

   ch := make(chan int, 3)
   CheckChannel(ch)
}

func CheckChannel(ch chan int) {
    
    
   //6个发送
   go func() {
    
    ch <- 1}()
   go func() {
    
    ch <- 2}()
   go func() {
    
    ch <- 3}()
   go func() {
    
    ch <- 4}()
   go func() {
    
    ch <- 5}()
   go func() {
    
    ch <- 6}()
   //8个接收
   go func() {
    
    <- ch}()
   go func() {
    
    <- ch}()
   go func() {
    
    <- ch}()
   go func() {
    
    <- ch}()
   go func() {
    
    <- ch}()
   go func() {
    
    <- ch}()
   go func() {
    
    <- ch}()
   go func() {
    
    <- ch}()

   time.Sleep(time.Second * 5)
   fmt.Println("stop")
}

调试阶段分析

就缓冲性channel来debug该代码。
首先缓冲型：当执行到CheckChannel时，已经初始化了一块内存。
在这里插入图片描述

打开dehug界面查看该数据结构：

在这里插入图片描述
此时刚初始化，底层数组的元素数量为0。发送索引与接收索引都指向数组索引0，发送与接收队列都没有G存在。

1、一个元素发送

接下来step over，执行完第一个G，观察debug 在这里插入图片描述
观察红框内容，看到底层数组的0位置接收到了第一个groutine的数据，底层的sendx指针指向了数组的索引1，表示该再次发送数据会被数组索引1接收，recvx为0，说明有G接收数据时会接收数组索引0处的数据。此时结构如下图：
在这里插入图片描述

2、发送阻塞

继续step over，到发送数据结束，查看debug：
在这里插入图片描述
可以看到由于没有接收者，底层数组里面已经塞满了，查看sendx和recvx的值都为0，说明如果有了接收者就取出索引0处的数据。有发送者就会把数据拷贝到0处(如果0处数据被取出)。

另外查看sendq，可以查看里面已经积压了G队列，这是由于底层数组已塞满，channel会创建一个sudog数据结构，获取G的指针，并将G放入自己的等待队列，此时的积压G处于Gwaiting状态，既不在全局运行队列，也不在某个P（调度器）的运行队列，等待有接受者接收数据，触发goready函数使该G进入可调度即Grunnable状态。

在这里插入图片描述
可以看出，该结构里面积压了三个G，通过next连接下一个G，当然也有pre指针连接前一个G，到第一个或最后一个G的指针指向一个nil。此时结构如下图：