O princípio subjacente do canal

O princípio subjacente de implementação do canal em golang

No artigo anterior, aprendemos sobre o uso e as vantagens dos canais no golang. Agora, vamos dar uma olhada mais profunda na implementação subjacente dos canais para entender melhor como eles funcionam.

Estrutura de dados do canal

No golang, cada canal possui uma estrutura de dados associada a ele. Essa estrutura de dados consiste em um ponteiro para o buffer da fila, um valor inteiro que representa a capacidade da fila e dois valores inteiros que representam as posições inicial e final da fila.

Operações de bloqueio e não bloqueio

As operações do canal podem ser divididas em situações de bloqueio e não bloqueio.

• Operação de bloqueio: Quando uma goroutine envia dados para o canal, se o canal estiver cheio, a operação de envio será bloqueada até que outra goroutine receba dados do canal. Da mesma forma, quando uma goroutine recebe dados de um canal, se o canal estiver vazio, a operação de recebimento será bloqueada até que outra goroutine envie dados para o canal.
• Operações sem bloqueio: As operações de canal sem bloqueio podem ser obtidas usando select instruções. select A instrução nos permite aguardar operações em vários canais ao mesmo tempo e selecionar uma das operações prontas para execução.

Bloqueios de canal e variáveis ​​de condição

Na implementação subjacente do canal, variáveis ​​mutex e de condição são usadas para obter segurança de simultaneidade.

• Bloqueio mutex: O bloqueio mutex é usado para proteger o acesso à estrutura de dados do canal e evitar que vários goroutines modifiquem o estado interno do canal ao mesmo tempo. Antes de realizar uma operação de envio ou recebimento, a goroutine primeiro adquirirá o bloqueio mutex e então liberará o bloqueio após concluir a operação.
• 条件变量：条件变量用于实现goroutine之间的等待和通知机制。当一个goroutine尝试从空的channel接收数据时，它会进入等待状态，并释放互斥锁。当有其他goroutine向channel发送数据时，它会通知等待的goroutine继续执行。

channel的调度

在golang的运行时系统中，channel的发送和接收操作是由调度器负责调度和协调的。调度器决定哪个goroutine能够发送或接收数据，并确保发送和接收操作的顺序和一致性。

channel的底层代码

在golang的源代码中，channel的底层实现涉及到多个文件和数据结构。下面是channel的关键部分代码：

type hchan struct {
    
    
    qcount   uint           // 当前channel中的元素数量
    dataqsiz uint           // 缓冲区的容量
    buf      unsafe.Pointer // 指向实际的缓冲区

    recvx   uint           // 下一个接收操作的位置
    sendx   uint           // 下一个发送操作的位置
    recvq   waitq          // 接收等待队列
    sendq   waitq          // 发送等待队列
    lock    mutex          // 用于保护channel的互斥锁
}

type waitq struct {
    
    
    first *sudog // 第一个等待的goroutine
    last  *sudog // 最后一个等待的goroutine
}

type sudog struct {
    
    
    g       *g
    isSelect bool // 是否在select语句中等待
    next    *sudog
    prev    *sudog
    elem    unsafe.Pointer
    ...     // 其他字段
}

在这段代码中，hchan表示channel的数据结构，其中包含了元素数量、缓冲区容量、指向实际缓冲区的指针以及接收和发送等待队列等信息。waitq表示等待队列，用于保存等待接收或发送操作的goroutine。sudog表示等待的goroutine，其中包含了goroutine的信息和其他相关字段。

channel的发送和接收操作涉及到锁和条件变量的使用，以确保并发安全性和协调操作的顺序。具体的发送和接收操作代码如下：

func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) bool {
    
    
    // 获取互斥锁
    lock(&c.lock)

    // ... 发送操作的实现

    // 释放互斥锁
    unlock(&c.lock)
}

func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) bool {
    
    
    // 获取互斥锁
    lock(&c.lock)

    // ... 接收操作的实现

    // 释放互斥锁
    unlock(&c.lock)
}

在发送和接收操作中，首先获取channel的互斥锁，然后执行相应的发送或接收操作，最后释放互斥锁。

此外，channel还涉及到调度器的调度和协调。调度器负责选择可以执行发送或接收操作的goroutine，并确保操作的顺序和一致性。

总结

通过深入了解channel的底层代码实现，我们可以更好地理解其内部工作机制。channel的底层代码涉及到数据结构、锁、条件变量和调度器等关键部分，用于实现channel的功能和并发安全性。了解这些底层细节有助于我们更好地使用和理解golang中强大的channel特性。

写在最后

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