channel的底层原理

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晴天码字 2023-06-18 01:24:36 ©著作权

文章标签 后端互斥锁数据结构 golang 文章分类 Python 后端开发

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golang之channel底层实现原理

在前面的文章中，我们已经了解了golang中channel的使用和优势。现在，让我们深入了解一下channel的底层实现原理，以更好地理解其工作方式。

通道的数据结构

在golang中，每个channel都有一个与之关联的数据结构。该数据结构由一个指向队列的缓冲区的指针、一个表示队列的容量的整数值以及两个表示队列的开始和结束位置的整数值组成。

阻塞与非阻塞操作

channel的操作可以分为阻塞和非阻塞两种情况。

阻塞操作：当一个goroutine向channel发送数据时，如果channel已满，发送操作将被阻塞，直到有其他goroutine从channel中接收数据。同样，当一个goroutine从channel接收数据时，如果channel为空，接收操作将被阻塞，直到有其他goroutine向channel发送数据。

select

语句可以实现非阻塞的channel操作。 select语句允许我们同时等待多个channel的操作，并选择其中一个已准备就绪的操作执行。

channel的锁和条件变量

在channel的底层实现中，使用了互斥锁（mutex）和条件变量（condition variable）来实现并发安全性。

互斥锁：互斥锁用于保护channel数据结构的访问，防止多个goroutine同时修改channel的内部状态。在进行发送或接收操作之前，goroutine会先获取互斥锁，执行完操作后再释放锁。
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。