信道是一个goroutine之间很关键的通信媒介。
理解golang的信道很重要,这里记录平时易忘记的、易混淆的点。
1. 基本使用
刚声明的信道,零值为nil,无法直接使用,需配合make函数进行初始化
ic :=make(chan int) ic<-22 // 向无缓冲信道写入数据 v := <-ic// 从无缓冲信道读取数据
- 无缓冲信道: 一手交钱,一手交货, sender、receiver必须同时做好动作,才能完成发送->接收;否则,先准备好的一方将会阻塞等待。
- 有缓冲信道 make(chan int,10):滑轨流水线,因为存在缓冲空间,故并不强制sender、receiver必须同时准备好;当通道空或满时, 一方会阻塞。
信道存在三种状态: nil, active, closed
针对这三种状态,sender、receiver有一些行为,我也不知道如何强行记忆这些行为 ☹️:
动作 | nil | active | closed |
---|---|---|---|
close | panic | 成功 | panic |
ch <- | 死锁 | 阻塞或成功 | panic |
<-ch | 死锁 | 阻塞或成功 | 零值 |
2. 从1个例子看chan的实质
package main import ("fmt") func SendDataToChannel(ch chan int, value int) {fmt.Printf("ch's value:%v, chan's type: %T \n", ch, ch) // %v 显示struct的值;%T 显示类型ch <- value} func main() {var v intch := make(chan int) fmt.Printf("ch's value:%v, chan's type: %T \n", ch, ch) go SendDataToChannel(ch, 101) // 通过信道发送数据v = <-ch//从信道接受数据fmt.Println(v) // 101}
能正确打印101。
Q1:刚学习golang的时候,一直给我们灌输golang函数是值传递,那上例在另外一个协程内部对形参的操作,为什么会影响外部的实参?
请关注格式化字符的日志输出:
ch's value:0xc000018180, chan's type: chan int ch's value:0xc000018180, chan's type: chan int 101
A: 上面的日志显示传递的ch
是一个指针值0xc000018180,类型是chan int
( 这并不是说ch是指向chan int
类型的指针)。
chan int
本质就是指向hchan结构体的指针。
内置函数make创建信道: func makechan(t *chantype, size int) *hchan
返回了指向hchan结构体
的指针:
type hchan struct { qcount uint // 队列中已有的缓存元素的长度 dataqsiz uint // 环形队列的长度 bufunsafe.Pointer // 环形队列的地址 elemsize uint16 closed uint32 elemtype *_type // 元素类型 sendxuint // 待发送的元素索引 recvxuint // 待接受元素索引 recvqwaitq// 阻塞等待的goroutine sendqwaitq// 阻塞等待的gotoutine // lock protects all fields in hchan, as well as several // fields in sudogs blocked on this channel. // // Do not change another G's status while holding this lock // (in particular, do not ready a G), as this can deadlock // with stack shrinking. lock mutex}
Q2: 缓冲信道内部为什么要使用环形队列?
A:golang是使用数组来实现信道队列,在不移动元素的情况下, 队列会出现“假满”的情况,
在做成环形队列的情况下, 所有的入队出队操作依旧是 O(1)的时间复杂度,同时元素空间可以重复利用。
需要使用sendIndex,receIndex来标记实际的待插入/拉取位置,显而易见会出现 sendIndex<=receIndex 的情况。
recvq
,receq
是由链表实现的队列,用于存储阻塞等待的goroutine和待发送/待接收值,
这两个结构也是阻塞goroutine被唤醒的准备条件。
3. 发送/接收的细节
① 不要使用共享内存来通信,而是使用通信来共享内存
元素值从外界进入信道会被复制,也就是说进入信道的是元素值的副本,并不是元素本身进入信道 (出信道类似)。
金玉良言落到实处:不同的线程不共享内存、不用锁,线程之间通讯用channel同步也用channel。
发送/接收数据的两个动作(G1,G2,G3)没有共享的内存,底层通过hchan结构体的buf,使用copy内存的方式进行通信,最后达到了共享内存的目的。
②根据第①点,发送操作包括:复制待发送值,放置到信道内;
接收操作包括:复制元素值, 放置副本到接收方,删除原值,以上行为在全部完成之前都不会被打断。
所以第①点所说的无锁,其实指的业务代码无锁,信道底层实现还是靠锁。
以send操作为例,下面代码截取自 https://github.com/golang/go/blob/master/src/runtime/chan.go
if c.qcount < c.dataqsiz { // Space is available in the channel buffer. Enqueue the element to send. qp := chanbuf(c, c.sendx) // 计算出buf中待插入位置的地址 if raceenabled { racenotify(c, c.sendx, nil) } typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)// 将元素copy进指定的qp地址 c.sendx++ // 重新计算待插入位置的索引 if c.sendx == c.dataqsiz { c.sendx = 0 } c.qcount++ unlock(&c.lock) return true}
一个常规的send动作:
- 计算环形队列的待插入位置的地址
- 将元素copy进指定的qp地址
- 重新计算待插入位置的索引sendx
- 如果待插入位置==队列长度,说明插入位置已到尾部,需要插入首部。
- 以上动作加锁
③ 进入等待状态的goroutine会进入hchan的sendq/recvq列表
调度器将G1、G2置为waiting状态,G1、G2进入sendq列表,同时与逻辑处理器分离;
直到有G3尝试读取信道内recvx
元素,之后将唤醒队首G1进入runnable状态,加入调度器的runqueue。
这里面涉及gopark
, goready
两个函数。
如果是无缓冲信道引起的阻塞,将会直接拷贝G1的待发送值到G2的存储位置
✍️ https://github.com/golang/go/blob/master/src/runtime/chan.go
package mainimport ( "fmt" "time")func SendDataToChannel(ch chan int, value int) { time.Sleep(time.Millisecond * time.Duration(value)) ch <- value}func main() { var v int var ch chan int = make(chan int) go SendDataToChannel(ch, 104) // 通过信道发送数据 go SendDataToChannel(ch, 100) // 通过信道发送数据 go SendDataToChannel(ch, 95)// 通过信道发送数据 go SendDataToChannel(ch, 120) // 通过信道发送数据 time.Sleep(time.Second) v = <-ch //从信道接受数据 fmt.Println(v) time.Sleep(time.Second * 10)}
Q3:上述代码大概率稳定输出95
。
A:虽然4个goroutine被启动的顺序不定,但是肯定都阻塞了,阻塞的时机不一样,被唤醒的是sendq
队首的goroutine,基本可认为第三个goroutine被首先捕获进sendq
,因为是无缓冲信道,将会直接拷贝G3的95给到待接收地址。
4. 业内总结的信道的常规姿势
无缓冲、缓冲信道的特征,已经在golang领域形成了特定的套路。
当容量为0时,说明信道中不能存放数据,在发送数据时,必须要求立马有人接收,此时的信道称之为无缓冲信道。
当容量为1时,说明信道只能缓存一个数据,若信道中已有一个数据,此时再往里发送数据,会造成程序阻塞,利用这点可以利用信道来做锁。
当容量大于1时,信道中可以存放多个数据,可以用于多个协程之间的通信管道,共享资源。
Q4: 为什么无缓冲信道不适合做锁?
A: 我们先思考一下锁的业务实质: 获取独占标识,并能够继续执行; 无缓冲信道虽然可以获取独占标识,但是他阻塞了自身goroutine的执行,所以并不适合实现业务锁。