主要是一些数据结构的底层实现
Channel 的底层实现
前言
channel是Golang在语言层面提供的goroutine间的通信方式,比Unix管道更易用也更轻便。channel主要用于进程内各goroutine间通信,如果需要跨进程通信,建议使用分布式系统的方法来解决。
本章从源码角度分析channel的实现机制,实际上这部分源码非常简单易读。
chan数据结构
- src/runtime/chan.go:hchan定义了channel的数据结构:
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13type hchan struct {
qcount uint // 当前队列中剩余元素个数
dataqsiz uint // 环形队列长度,即可以存放的元素个数
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 // 队列下标,指示元素写入时存放到队列中的位置
recvx uint // 队列下标,指示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
} - 从数据结构可以看出channel由
环形队列、互斥锁、类型信息、goroutine等待队列
组成,下面分别说明其原理。
环形队列
chan内部实现了一个环形队列作为其缓冲区,队列的长度是创建chan时指定的。
下图展示了一个可缓存6个元素的channel示意图:
- dataqsiz指示了队列长度为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[0, 6);
- recvx指示从该位置读取数据, 取值[0, 6);
等待队列
从channel读数据,如果channel缓冲区为空或者没有缓冲区,当前goroutine会被阻塞。
向channel写数据,如果channel缓冲区已满或者没有缓冲区,当前goroutine会被阻塞。
被阻塞的goroutine将会挂在channel的等待队列中:
因读阻塞的goroutine会被向channel写入数据的goroutine唤醒;
因写阻塞的goroutine会被从channel读数据的goroutine唤醒;
下图展示了一个没有缓冲区的channel,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。
- elemtype代表类型,用于数据传递过程中的赋值;
- elemsize代表类型大小,用于在buf中定位元素位置。
锁
- 一个channel同时仅允许被一个goroutine读写,为简单起见,本章后续部分说明读写过程时不再涉及加锁和解锁。
channel读写
创建channel
创建channel的过程实际上是初始化hchan结构。其中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共同决定。
创建channel的伪代码如下所示:
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10func 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
- 向一个channel中写数据简单过程如下:
- 如果等待接收队列recvq不为空,说明缓冲区中没有数据或者没有缓冲区,此时直接从recvq取出G,并把数据写入,最后把该G唤醒,结束发送过程;
- 如果缓冲区中有空余位置,将数据写入缓冲区,结束发送过程;
- 如果缓冲区中没有空余位置,将待发送数据写入G,将当前G加入sendq,进入睡眠,等待被读goroutine唤醒;
- 简单流程图如下:
从channel读数据
- 从一个channel读数据简单过程如下:
- 如果等待发送队列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,此时说明缓冲区已满,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;
- 简单流程图如下:
关闭channel
关闭channel时会把recvq中的G全部唤醒,本该写入G的数据位置为nil。把sendq中的G全部唤醒,但这些G会panic。
除此之外,panic出现的常见场景还有:
- 关闭值为nil的channel
- 关闭已经被关闭的channel
- 向已经关闭的channel写数据
Interface 的底层实现
- 参考链接
- golang中的接口分为
带方法的接口
和空接口
。- 带方法的接口在底层用
iface
表示。 - 空接口的底层则是
eface
表示。
- 带方法的接口在底层用
接口的原型
1 | //runtime/runtime2.go |