Go专家01，chan实现原理
在之前的文章中，我们有介绍过 channel 的使用，传送门。比较经典的一句话就是:
❝在 Go 语言中，提倡通过通信来共享内存，而不是通过共享内存来通信，其实就是提倡通过 channel 发送接收消息的方式进行数据传递。 ❞
这里我们再更加深层次的了解下 chan 。
chan 数据结构
src/runtime/chan.go 中定义了 channel 的数据结构如下：
type hchan struct {
qcount uint // 队列中的总元素个数
dataqsiz uint // 环形队列大小，即可存放元素的个数
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 // 发送索引，元素写入时存放到队列中的位置
recvx uint // 接收索引，元素从队列的该位置读出
recvq waitq // 等待读消息的goroutine队列
sendq waitq // 等待写消息的goroutine队列
lock mutex //互斥锁，chan不允许并发读写
}
环形队列
chan 内部实现了一个环形队列来作为缓冲区，队列的长度是在创建 chan 的时候所指定的。
如下图，我们创建一个可缓存6个元素的 channel 示意图：
- dataqsiz 表示了队列长度为6，即可缓存6个元素；
- buf 指向队列的内存，队列中还剩余两个元素；
- qcount 表示队列中还有两个元素；
- sendx 指示后续写入的数据存储的位置，取值范围为
[0,6); - recvx指示从该位置读取数据，取值范围为
[0,6);
等待队列
- 从 channel 中读取数据，如果 channel 的缓冲区为空，或者没有缓冲区，那么当前的 goroutine 会被阻塞。
- 向 channel 中写入数据，如果 channel 的缓冲区已满，或者没有缓冲区，那么当前的 goroutine 会被阻塞。
- 被阻塞的 goroutine 会挂在 channel 的等待队列中。
- 因为读所导致的阻塞，会被向 channel 写入数据的 goroutine 所唤醒。
- 因为写所导致的阻塞，会被从 channel 读取数据的 goroutine 所唤醒。
如下图，为没有缓冲区的 channel，recvq 中有几个 goroutine 阻塞等待读数据。
❝注意，一般情况下recvq和sendq至少有一个为空。只有一个例外，那就是同一个goroutine使用select语句向 channel一边写数据，一边读数据。 ❞
类型信息
一个 channel 只能传递一种类型的值，类型信息存储在 hchan 数据结构中：
- elemsize ：类型大小，用于在buf中定位元素位置。
- elemtype ：类型，用于数据传递过程中的赋值；
锁
我们知道，channel 是并发安全的，即一个channel同时仅允许被一个goroutine读写。
channel 读写
创建 channel
创建 channel 其实就是初始化 hchan 结构，其类型信息和缓冲区长度由 make 语句传入，buf 的大小则与元素大小和缓冲区长度来共同决定。
创建 channel 的伪代码：
func makechan(t *chantype, size int) *hchan{
var c *hchan
c = new(hchan)
c.buf = malloc(元素类型大小*size)
c.elemsize = 元素类型大小
c.elemtype = 元素类型
c.dataqsiz = size
return c
}
向 channel 写数据
过程如下：
- 若等待接收队列 recvq 不为空，则缓冲区中无数据或无缓冲区，将直接从 recvq 取出 G ，并把数据写入，最后把该 G 唤醒，结束发送过程。
- 若缓冲区中有空余位置，则将数据写入缓冲区，结束发送过程。
- 若缓冲区中没有空余位置，则将发送数据写入 G，将当前 G 加入 sendq ，进入睡眠，等待被读 goroutine 唤醒。
从 channel 读数据
过程如下：
- 若等待发送队列 sendq 不为空，且没有缓冲区，直接从 sendq 中取出 G ，把 G 中数据读出，最后把 G 唤醒，结束读取过程；
- 如果等待发送队列 sendq 不为空，说明缓冲区已满，从缓冲区中首部读出数据，把 G 中数据写入缓冲区尾部，把 G 唤醒，结束读取过程；
- 如果缓冲区中有数据，则从缓冲区取出数据，结束读取过程；
- 将当前 goroutine 加入 recvq ，进入睡眠，等待被写 goroutine 唤醒；
关闭 channel
关闭 channel 时会将 recvq 中的 G 全部唤醒，，本该写入 G 的数据位置为 nil。将 sendq 中的 G 全部唤醒，但是这些 G 会 panic。
panic 出现的场景还有：
- 关闭值为 nil 的 channel
- 关闭已经关闭的 channel
- 向已经关闭的 channel 中写数据
用法
单项 channel
只能发送或者只能接收的 channel 为单向 channel。
单向 channel 声明
只需要在基础声明中增加操作符即可：
send := make(ch<- int) //只能发送数据给channel
receive := make(<-ch int) //只能从channel中接收数据
示例：
package main
import (
"fmt"
)
//只能发送通道
func send(s chan<- string){
s <- "微客鸟窝"
}
//只能接收通道
func receive(r <-chan string){
str := <-r
fmt.Println("str:",str)
}
func main() {
//创建一个双向通道
ch := make(chan string)
go send(ch)
receive(ch)
}
//运行结果: str: 微客鸟窝
select
select 可以实现多路复用，即同时监听多个 channel。
- 发现哪个 channel 有数据产生，就执行相应的 case 分支
- 如果同时有多个 case 分支可以执行，则会随机选择一个
- 如果一个 case 分支都不可执行，则 select 会一直等待
示例：
package main
import (
"fmt"
)
func main() {
ch := make(chan int, 1)
for i := 0; i < 10; i++ {
select {
case x := <-ch:
fmt.Println(x)
case ch <- i:
fmt.Println("--", i)
}
}
}
运行结果：
-- 0
0
-- 2
2
-- 4
4
-- 6
6
-- 8
8
❝select 的 case 语句读 channel 不会阻塞，尽管 channel 中没有数据。这是由于 case 语句编译后调用读 channel 时会明确传入不阻塞的参数，此时读不到数据时不会将当前 goroutine 加入到等待队列，而是直接返回。 ❞
range
通过 range 可以持续从 channel 中读取数据，类似于遍历，当 channel 中没有数据时会阻塞当前 goroutine ，与读 channel 时阻塞处理机制一样。
示例：
for ch := range chanName {
fmt.Printf("chan: %d\n", ch)
}
❝注意：如果向此channel写数据的goroutine退出时，系统检测到这种情况后会panic，否则range将会永久阻塞。 ❞
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