最近大家私信我讓我說說 Go 語言中的 Channel，年末了水慨，有的人已經開始準備面試得糜，真快呀敬扛！今天我們就來說說 Channel嗎，日常開發(fā)中使用也是比較頻繁的朝抖，面試也是高頻啥箭。聽我慢慢說來。
Channel （通道） 是 Go 語言高性能并發(fā)編程中的核心數(shù)據(jù)結構和與 Goroutine 之前重要的通信方式治宣。在 Go 語言中通道是一種特殊的類型急侥。通道像一個傳送帶或者隊列，遵循先入先出（First In First Out）的規(guī)則侮邀，保證收發(fā)數(shù)據(jù)的順序坏怪。
1. 應用場景
在很多主流的編程語言中，多個線程間基本上都是通過共享內存來實現(xiàn)通信的绊茧，如Java铝宵。這類語言往往都需要限制一定的線程數(shù)量從而解決線程競爭。用圖的方式簡單表達一下华畏。
Go 語言的設計卻截然不同鹏秋，在 Go 語言提供了一種新的并發(fā)模型，在 Goroutine 中使用 Channel 傳遞數(shù)據(jù)亡笑，從而實現(xiàn)通信侣夷。
Go 語言提倡 “不要通過共享內存的方式進行通信，而是通過 Channel 通信的方式共享內存”况芒。
Don’t communicate by sharing memory, share memory by communicating
我們會結合 chanal 使用場景的 5 大類型來闡述惜纸，更好的了解 Channel。
- 數(shù)據(jù)交流
- 數(shù)據(jù)傳遞
- 信號通知
- 任務編排
- 鎖
接下來學一下一下 chanel 的常見用法绝骚。
2. 常見用法
我們一開始就說 Go 語言是通過通信來實現(xiàn)共享內存的，故我們可以從 channel 中接受數(shù)據(jù)祠够，也能發(fā)送數(shù)據(jù)压汪。下文中會簡稱 channek 為 chan。我們將從一下三種情況展開說下
- 僅接送數(shù)據(jù)
- 僅發(fā)送數(shù)據(jù)
- 既能接受也能發(fā)送數(shù)據(jù)
chan int // 可以發(fā)送和接收 int 數(shù)據(jù)
chan <- struct{} // 只能發(fā)送 struct{}
<-chan string // 只能從 chan 接收 string 數(shù)據(jù)
聲明的通道類型變量需要使用內置的 make 函數(shù)初始化之后才能使用古瓤。格式如下：
make(chan 元素類型, [緩沖區(qū)大小])
make(chan int) // 無緩沖通道
make(chan int, 1024) // 有緩沖通道
記住 Go 語言中 chan 沒有類型的限制止剖，其中 chan 的緩沖大小是可選的，未初始化的是一個 nil 值落君。
- 指定緩沖區(qū)的大小穿香，我們稱其為 “ 緩沖通道” 。
- 未指定了緩沖區(qū)的大小绎速，我們稱其為 “ 無緩沖通道” 又稱為阻塞的通道皮获。
無緩沖通道
無緩沖的通道又稱為阻塞的通道，如上方第 3 行代碼纹冤，無緩沖的通道只有在有接收方能夠接收值的時候才能發(fā)送成功洒宝，否則會一直處于等待發(fā)送的階段购公。同理，如果對一個無緩沖通道執(zhí)行接收操作時雁歌，沒有任何向通道中發(fā)送值的操作那么也會導致接收操作阻塞宏浩。
緩沖通道
當制定了緩沖區(qū)的大小，初始化如上方第 4 行代碼靠瞎。若 chan 中有數(shù)據(jù)時比庄，此時從 chan 中接收數(shù)據(jù)不會發(fā)生阻塞；若 chan 未滿時乏盐，此時發(fā)送數(shù)據(jù)也不會發(fā)生阻塞佳窑，反之就會出現(xiàn)阻塞。
接下來說下 Channel 的基本用法丑勤。
2.1 發(fā)送數(shù)據(jù)
將一個值發(fā)送到通道（chan） 中：
chan <- 1024 // 將1024 發(fā)到 chan 中
2.2 接收數(shù)據(jù)
從一個通道（chan） 中接收值：
x := <- ch // 從ch中接收值并賦值給變量x
<-ch // 從ch中接收值华嘹，并丟棄
2.3 關閉通道
我們通過內置函數(shù) close 函數(shù)來關閉通道：
close(chan)
2.4 其他操作
Go 一些內置的函數(shù)都可以操作 chan 類型。比如 len法竞、cap
- len 可以返回 chan 中還未被處理的元素數(shù)量
- cap 可以返回 chan 的容量
注： 目前 Go 語言中并沒有提供一個不對通道進行讀取操作就能判斷通道 chan 是否被關閉的方法耙厚。不能簡單的通過 len(ch) 操作來判斷通道 chan 是否被關閉。
用 for range 接收值：
func f(ch chan int) {
for v := range ch {
fmt.Println("接收到 chan 值：", v)
}
}
還有 send 和 recv 可以作為 select 語句的 case：
var ch = make(chan int, 6)
for i := 0; i < 6; i++ {
select {
case ch <- i:
case v := <-ch:
fmt.Println(v)
}
}
下面我說下源碼的角度分析一下 chan 的具體實現(xiàn)岔霸，掌握了原理薛躬，我們才能真正地用好它，才能在談高薪是有底氣呆细！
3. 實現(xiàn)原理
3.1 chan 數(shù)據(jù)結構
Go 語言的 Channel 在運行時使用 runtime.hchan 結構體表示型宝。我們在 Go 語言中創(chuàng)建新的 Channel 時，實際上創(chuàng)建的都是如下所示的結構：
type hchan struct {
qcount uint // 循環(huán)隊列元素的數(shù)量
dataqsiz uint // 循環(huán)隊列的大小
buf unsafe.Pointer // 循環(huán)隊列緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)指針
elemsize uint16 // chan中元素的大小
closed uint32 // 是否已close
elemtype *_type // chan 中元素類型
sendx uint // send 發(fā)送操作在 buf 中的位置
recvx uint // recv 接收操作在 buf 中的位置
recvq waitq // receiver的等待隊列
sendq waitq // senderl的等待隊列
lock mutex // 互斥鎖絮爷，保護所有字段
}
runtime.hchan 結構體中的五個字段 qcount趴酣、dataqsiz、buf坑夯、sendx岖寞、recv 構建底層的循環(huán)隊列 （channel）。解釋一下上面的字段含義：
- qcount：代表循環(huán)隊列 chan 中已經接收但還沒被取走的元素的個數(shù)柜蜈。
- datagsiz 循環(huán)隊列 chan 的大小仗谆。選用了一個循環(huán)隊列來存放元素，類似于隊列的生產者 - 消費者場景
- buf：存放元素的循環(huán)隊列的 buffer淑履。
- elemtype 和 elemsize：循環(huán)隊列 chan 中元素的類型和 size隶垮。chan 一旦聲明，它的元素類型是固定的秘噪，即普通類型或者指針類型狸吞，元素大小自然也就固定了。
- sendx：處理發(fā)送數(shù)據(jù)的指針在 buf 中的位置。一旦接收了新的數(shù)據(jù)捷绒，指針就會加上 elemsize瑰排，移向下一個位置。buf 的總大小是 elemsize 的整數(shù)倍暖侨，而且 buf 是一個循環(huán)列表椭住。
- recvx：處理接收請求時的指針在 buf 中的位置。一旦取出數(shù)據(jù)字逗，指針會移動到下一個位置京郑。
- recvq：chan 是多生產者多消費者的模式，如果消費者因為沒有數(shù)據(jù)可讀而被阻塞了葫掉，就會被加入到 recvq 隊列中些举。
- sendq：如果生產者因為 buf 滿了而阻塞，會被加入到 sendq 隊列中俭厚。
3.2 發(fā)送數(shù)據(jù)（send）
我們接下來繼續(xù)介紹 chan 的接收數(shù)據(jù)户魏。Go 語言中可以使用 ch <- i 向 chan 中發(fā)送數(shù)據(jù)。
我們看下 chansend 源碼挪挤，Go 編譯器在向 chan 發(fā)送數(shù)據(jù)時叼丑，會將 send 轉換成 chansend1 函數(shù)。如下：
chansend1 中調用 chansend 并傳入 channel 和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)扛门。一開始會判斷當前 chan 是否為 nil 鸠信，是 nil 會阻塞調用者 gopark。我們會發(fā)現(xiàn)第 11 行是不會被程序執(zhí)行的论寨。
當 chan 關閉了星立，此時發(fā)送數(shù)據(jù)會造成 panic 錯誤。
如果 chan 沒有被關閉并且等待隊列中已經有處于讀等待的 Goroutine葬凳，那么會從接收隊列 recvq 中取出最先陷入等待的 Goroutine 并直接向它發(fā)送數(shù)據(jù)绰垂。
如果創(chuàng)建的 chan 包含緩沖區(qū)（chanbuf）并且 chan 中的數(shù)據(jù)沒有裝滿，會執(zhí)行下面這段代碼：
在這里我們首先會使用緩沖區(qū)中計算出下一個可以存儲數(shù)據(jù)的位置火焰，然后通過 typedmemmove 將發(fā)送的數(shù)據(jù)拷貝到緩沖區(qū)中并增加 sendx 索引和 qcount 計數(shù)器辕坝。
3.3 接收數(shù)據(jù)（recv）
接下來繼續(xù)介紹 chan 的接收數(shù)據(jù)。Go 語言中可以使用兩種不同的方式去接收 chan 中的數(shù)據(jù)：
i <- ch
i, ok <- ch
從 chan 中接收數(shù)據(jù)會被轉換成 chanrecv1 和 chanrecv2 兩種函數(shù)荐健，但是最后還是會調用 chanrecv。
可以看到 chanrecv1 和 chanrecv2 中調用 chanrecv 時 block 的值都是 true琳袄，在 chanrecv 中 chan 為 nil 江场，我們從 nil 的 chan 中接收數(shù)據(jù)，調用者會被阻塞主 goroutine park窖逗，和發(fā)送一樣址否，第 15 行也不會被執(zhí)行。
當緩沖區(qū)中沒有數(shù)據(jù)且當前的 chan 已經 close 了，那么會清除 ep 指針中的數(shù)據(jù)佑附，代碼段會返回 true樊诺、false。
當緩沖區(qū)滿了音同，這個時候词爬，如果是 unbuffer 的 chan，就直接將 sender 的數(shù)據(jù)復制給 receiver权均，否則就取出隊列頭等待的 Goroutine顿膨，并把這個 sender 的值加入到隊列尾部。
3.4 關閉（close）
Go 語言中關閉一個 chan 用自帶的 close 函數(shù)叽赊，編譯器會轉成調用 closechan恋沃，我們看下源碼：
- close 一個 nil 的 chan 會出現(xiàn) panic；
- close 一個 已經 closed 的 chan必指，會出現(xiàn) panic囊咏；
- 當 chan 不為 nil 也不為 closed，才能 close 成功塔橡，從而把等待隊列中的 sender（writer）和 receiver（reader）從隊列中全部移除并喚醒梅割。
源碼的部分就到這里了，我們接下來說下開發(fā)中需要注意的點谱邪。
4. 總結
我們開發(fā)中炮捧，chan 的值或者狀態(tài)會有很多種情況，此時一定要注意使用方式惦银，一些操作可能會出現(xiàn) panic咆课。我總結了一下異常場景，如下表：
| nil channel | 有值 channel | 沒值 channel | 滿 channel | |
|---|---|---|---|---|
| <- ch （發(fā)送數(shù)據(jù)） | 阻塞 | 發(fā)送成功 | 發(fā)送成功 | 阻塞 |
| ch <- （接收數(shù)據(jù)） | 阻塞 | 接收成功 | 阻塞 | 接收成功 |
| close(ch) 關閉channel | panic | 關閉成功 | 關閉成功 | 關閉成功 |
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