Go channel实现原理

channel是Go定义的一个数据类型，用于goroutine之间的通信且是并发安全，正是Go所提倡的利用通信来共享内存。 Go在语言层面支持这种数据通信，提供非常简单的api（这也是Go为什么入门上手非常快的原因），让并发的信息同步和通信变得容易，减少了开发者很多心智负担。当然我们也很有兴趣想知道channel的背后是怎样实现的？

创建一个channel

带buffer的channel
ch := make(chan int, 3)

不带buffer
ch := make(chan int)

创建channel，会在堆中生成一个hchan的结构体，并返回一个channel的指针，这就是为啥函数间传递可以直接使用它，而不用再取地址。

hchan结构

hchan结构的定义在runtime/chan.go中：

type hchan struct {
  buf      unsafe.Pointer
  sendx    uint 
  recvx    uint
  recvq    waitq
  sendq    waitq
  lock     mutex

  qcount   uint
  dataqsiz uintqueue
  dataqsiz elements
  elemsize uint16
  closed   uint32
  elemtype *_type
}

简单介绍各个field含义：

buf buffer是个指针，指向队列里的元素，buf利用环形队列
sendx 发送元素在buf环形队列的索引，需要知道下一个发送的元素是谁
recvx 接收元素在buf环形队列的索引，需要知道下一个接收的元素放哪
recvq 等待消费channel里数据的goroutine的list
sendq 要往channel里发送数据的goroutine的list
lock 保证并发安全的锁
qcount 队列里元素个数
dataqsiz 环形队列的size，channel的队列采用的环形队列。make channel的大小。
elemsize 队列元素的大小
closed 需要知道channel的状态，是否关闭。注意这里是uint32类型，不是bool类型，说明还有其他一些状态
elemtype 元素类型，比如channel里是string还是int 还是等等其他自定义类型

带buf的channel发送和接收操作

当发送一个值，并且还没有谁在接收这个chan时，sendx增长，recvx还是0。
当buf满了时，此时sendx在环形队列中又指向了0。
此时有一个消费chan的goroutine消费一个值，sendx还是0，recvx就变成了1。

具体说下带buf的发送操作的步骤：

获取锁 其实channel保证并发安全的原因，没错就是用了lock。这样设计的原因是无锁队列的数据结构更复杂，而性能的提升不是凭空的，使得实现更复杂了，所以go最后使用了锁。
拷贝值 注意这里会发生拷贝动作，值会拷贝到buf里
释放锁

block 阻塞

这里阻塞和恢复涉及到Go的调度，插一个GMP图：

resume 恢复

当有接收者时，怎么让waiting的G1恢复呢？这就是sendq、recvq在起作用。在发送满，调度到waiting前会把这个goroutine和发送元素记录为一个sudog，挂到sendq中。这样接受者拿到这个发送元素时候知道这个发送goroutine是谁，并再将其调度到runqueue中。

如下几个图描述：

接收者比发送者先一步读取的情况

这种情况有什么不同么？是的。

参考发送优先的情况，接收会把hchan的recvq中挂上sudog，标记该goroutine和接收的变量地址。如代码 t := <-ch 此时调度gopark把该goroutine置为waiting，直到有发送者来唤醒他。如图：

事实上，Go不是这样实现的，换了个更聪明的实现，这需要跨goroutine的栈写。发送者把这个值直接写给接收变量t。如图：

总结

channel的并发安全：
- 靠加锁实现的。
channel存储值，遵循FIFO
- 利用环形队列buf。
goroutine的阻塞和恢复操作：
- 利用sendq、recvq的sudog
- go的调度gopark、goready

参考

Kavya非常简单易懂的介绍，文中基本参考她的分享。

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