golang源码解析之chan

golang源码解析之chan

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导语：在go语言中，chan 和 goroutine 是其并发模型CSP最重要体现，本文将基于1.14版本，深入源码，尽可能详细分析其内部实现原理。

一、为什么要使用chan

在并发线程中通信一般来说有两种模型：共享内存和消息传递。
常见的共享内存方式涉及到数据竞争这些问题，引入到锁、原子操作来解决。而基于消息传递的方式保证了不会产生数据竞争状态。
其中，实现消息传递有两种常见的类型：基于channel的消息传递和基于actor的消息传递。
而golang，就是基于channel的代表语言。erlang则是基于actor的代表语言。
在CSP（communicating sequential process）中，它将channel列为第一类对象，它不关注发送消息的实体，而是关注发送消息时使用的channel。golang则是基于这篇论文中的部分理论诞生的，也就是理论中的Process/channel：process和channel没有从属关系，process可以消费任意个channel，而channel也不关心具体是哪个process在使用它进行通信；process之间依据channel进行消息传递，形成一套有序阻塞和可预测的并发模型。对应到golang中，process就是goroutine，channel就是chan。
备注：CSP理论模型电子版链接：http://www.usingcsp.com/cspbook.pdf ，作者Tony Hoare

二、chan是怎样实现的

敲黑板：chan的实质是一个队列
如果你创建的是一个带缓冲的chan，chan就是一个循环队列，如果不带缓冲就是一个普通的队列。
在src/runtime/chan.go中，定义了一个结构体：hchan，还实现了一些方法：makechan、chansend、chanrecv、closechan，我们所使用的chan的最主要的功能，包括chan的创建，向chan写数据，读chan中的数据，关闭chan，就是围绕这个结构体和这几个方法实现的。我们接下来的内容，也主要围绕它们展开。

hchan

源码如下：

type hchan struct {
   
	qcount   uint           // total data in the queue
	dataqsiz uint           // size of the circular queue
	buf      unsafe.Pointer // points to an array of dataqsiz elements
	elemsize uint16
	closed   uint32
	elemtype *_type // element type
	sendx    uint   // send index
	recvx    uint   // receive index
	recvq    waitq  // list of recv waiters
	sendq    waitq  // list of send waiters

	// 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
}

qcount：buf数组中已经放入的元素个数
dataqsize：buf数组长度，创建时调用make指定
buf：buf 数组
elemsize：buf数组中每个元素的大小
closed：chan是否关闭， 0代表没有关闭
elemtype：chan中元素的类型
sendx：buf数组中以发送的索引位置，用以构造循环队列
recvx：buf数组中已接收的索引位置，用以构造循环队列
recvq：等待接收的goroutine，当chan中buf无数据并且无sendq时但有goroutine等待消费时会产生，实质是包含goroutine及有关信息的sudog，多个recvq会形成链表，依然是FIFO的标准队列
sendq：等待发送的goroutine，当chan中buf数据写满时但仍然有goroutine等待写入时会产生，实质是包含goroutine及有关信息的sudog，多个sendq会形成链表，依然是FIFO的标准队列。
lock：锁，用以保证chan中数据的顺序通信

makechan

源码如下：

func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
   
	elem := t.elem

	// compiler checks this but be safe. 校验数据类型大小，大于1<<16（65536）异常
	if elem.size >= 1<<16 {
   
		throw("makechan: invalid channel element type")
	}
	//内存对齐（多平台兼容，降低维度提高速度，减少内存消耗），大于最大内次8字节时异常
	if hchanSize%maxAlign != 0 || elem.align > maxAlign {
   
		throw("makechan: bad alignment")
	}
  //判断所需空间是否大于堆可分配的最大内存
	mem, overflow := math.MulUintptr(elem.size, uintptr(size))
	if overflow || mem > maxAlloc-hchanSize || size < 0 {
   
		panic(plainError("makechan: size out of range"))
	}

	// Hchan does not contain pointers interesting for GC when elements stored in buf do not contain pointers.
	// buf points into the same allocation, elemtype is persistent.
	// SudoG's are referenced from their owning thread so they can't be collected.
	// TODO(dvyukov,rlh): Rethink when collector can move allocated objects.
	var c *hchan
	switch {
   
	//size为0，分配hchan结构体空间
	case mem == 0:
		// Queue or element size is zero.
		c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true))
		// Race detector uses this location for synchronization.
		c.buf = c.raceaddr()
	//不包括指针，分配连续地址空间，包括hchan结构体+数据，将申请下来的地址首地址赋值给buf，便于GC回收，减小gc压力
	case elem.ptrdata == 0:
		// Elements do not contain pointers.
		// Allocate hchan and buf in one call.
		c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true))
		c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)
	//包括指针，buf单独分配空间
	default:
		// Elements contain pointers.
		c = new(hchan)
		c.buf = mallocgc(mem, elem, true)
	}

	c.elemsize = uint16(elem.size)
	c.elemtype = elem
	c.dataqsiz = uint(size)

	if debugChan {
   
		print("makechan: chan=", c, "; elemsize=", elem.size, "; dataqsiz=", size, "\n")
	}
	return c
}

注意：makechan 返回的是hchan指针，这也就是为什么chan是golang中的引用类型，传递的是指针而非值

chansend

源码如下：

func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
   
	//检测chan是否为空，为空报错，所以往一个nil的chan中写数据，程序会异常退出报错
	if c == nil {
   
		//如果是非阻塞的，返回false，不会触发
		if !block {
   
			return false
		}
		//如果是阻塞的goroutine停止
		gopark