深入理解go-channel和select的原理(废弃)

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请看另一篇 juejin.im/post/5d78b4… 本篇的图片转存失败,一天后删除

Go最吸引人的两个地方,除了goroutine,也就是channel了,同时,我一直很纳闷,select到底是怎么实现的?跟我之前的文章一样,部分无关的代码直接省略

1. 结构概览

1.1. hchan

这个就是channel的结构体了

type hchan struct {
   qcount   uint           // 队列中数据总量
   dataqsiz uint           // 环形队列的大小,> 0表示有缓冲,= 0表示无缓冲
   buf      unsafe.Pointer // 指向元素数组的指针
   elemsize uint16         // 单个元素的大小
   closed   uint32         // 表明是否close了
   elemtype *_type 				 // 元素类型,后面写interface的时候再具体介绍
   sendx    uint   				 // send数组的索引, c <- i
   recvx    uint   				 // receive 数组的索引 <- c
   recvq    waitq  				 // 等待recv 数据的goroutine的链表
   sendq    waitq  				 // 等待send数据的goroutine链表
   lock mutex
}
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1.2. waitq

type waitq struct {
   first *sudog
   last  *sudog
}
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1.3. sudog

sudog 代表了一个在等待中的g

type sudog struct {
   g *g

   // isSelect indicates g is participating in a select, so
   // g.selectDone must be CAS'd to win the wake-up race.
   isSelect bool
   next     *sudog
   prev     *sudog
   elem     unsafe.Pointer // 数据元素, c <- 1, 此时就是 1

   // The following fields are never accessed concurrently.
   // For channels, waitlink is only accessed by g.
   // For semaphores, all fields (including the ones above)
   // are only accessed when holding a semaRoot lock.

   acquiretime int64
   releasetime int64
   ticket      uint32
   parent      *sudog // semaRoot binary tree
   waitlink    *sudog // g.waiting list or semaRoot
   waittail    *sudog // semaRoot
   c           *hchan // channel
}
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1.4. hcase

这个是 select 中一个case生成的结构体

type scase struct {
   c           *hchan         // chan
   elem        unsafe.Pointer // data element
   kind        uint16  // 当前case的类型,nil recv send 还是 default
   pc          uintptr // race pc (for race detector / msan)
   releasetime int64
}
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通过上面的结构,我们可以看出,channel的内部实质就是一个缓冲池+两个队列(send recv),那么数据是如何交互的呢,网上有个示意图,展示的还是比较形象的

1.5. 图示

1.5.1. 无缓冲(同步)

1.5.2. 带缓冲(异步)

综合 上面的结构和图示,大概可以推测出 channel 的send recv流程

  1. 如果是recv(<-channel )请求,则先去判断一个sendq队列里有没有人等待这放数据
    1. 如果sendq队列不为空且缓冲池不为空,那么这个sendq队列是在等待着放数据,recv的这个g从缓冲池拿数据,然后把sendq的第一个g携带的数据放入到buf缓冲池里面即可
    2. 如果sendq不为空但是缓冲池为空,那么这个是不带缓冲池的chan,我从sendq里面拿第一个g的数据就ok了
    3. 如果sendq为空,那就去缓冲池看看,缓冲池有数据,那就拿了就走了
    4. 如果sendq为空,缓冲池也没有数据,那就在这等着吧
  2. 如果send,流程跟recv是一样的
  3. 如果此时 channel 被close了,唤醒所有等待的队列 (sendq 或 recvq)里面的等待的g,告诉他们channel.close = true

接下来就是跟踪源码,证明及纠正猜想了

2. 源码分析

2.1. 收发

2.1.1. main

我们使用 go tool 工具分析一下,channel 生成, c <- i, <- c 在底层都是通过什么方法实现的

func main() {
	c1 := make(chan int)
	c2 := make(chan int, 2)
	go func() {
		c1 <- 1
		c2 <- 2
	}()
	<-c1
	<-c2
	close(c1)
	close(c2)
}
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go build -gcflags=all="-N -l" main.go

go tool objdump -s "main.main" main

我们把 CALL 过滤出来后

go tool objdump -s "main\.main" main | grep CALL
  main.go:4             0x4548d5                e806fbfaff              CALL runtime.makechan(SB)               
  main.go:5             0x4548f8                e8e3fafaff              CALL runtime.makechan(SB)               
  main.go:6             0x454929                e822a1fdff              CALL runtime.newproc(SB)                
  main.go:10            0x454940                e81b08fbff              CALL runtime.chanrecv1(SB)              
  main.go:11            0x454957                e80408fbff              CALL runtime.chanrecv1(SB)              
  main.go:12            0x454965                e82605fbff              CALL runtime.closechan(SB)              
  main.go:13            0x454973                e81805fbff              CALL runtime.closechan(SB)              
  main.go:3             0x454982                e8d981ffff              CALL runtime.morestack_noctxt(SB)       
  main.go:7             0x454a32                e899fcfaff              CALL runtime.chansend1(SB)              
  main.go:8             0x454a4c                e87ffcfaff              CALL runtime.chansend1(SB)              
  main.go:6             0x454a5b                e80081ffff              CALL runtime.morestack_noctxt(SB) 
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  • makechan: 创建channel的函数,有无缓冲区的都是一样的
  • chanrecv1: <- c1 时,调用的函数
  • closechan: close(c1) 时调用的函数,关闭channel使用
  • chansend1: c1 <- 1 时,也就是发送数据用到的函数

2.1.2. makechan

创建channel这一块主要就是给结构体和bug缓冲池分配内存,然后初始化一下hchan的结构体

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

	// compiler checks this but be safe.
	// 校验elem的大小限制
	if elem.size >= 1<<16 {
		throw("makechan: invalid channel element type")
	}
	// 对齐限制
	if hchanSize%maxAlign != 0 || elem.align > maxAlign {
		throw("makechan: bad alignment")
	}
	// size,即make(chan int, 2)中的2,默认不传为0, 判断size的上限和下限
	if size < 0 || uintptr(size) > maxSliceCap(elem.size) || uintptr(size)*elem.size > maxAlloc-hchanSize {
		panic(plainError("makechan: size out of range"))
	}

	var c *hchan
	switch {
	case size == 0 || elem.size == 0:
		// 队列或者元素size为0,不分配缓冲池
		// Queue or element size is zero.
		c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true))
		// Race detector uses this location for synchronization.
		// buf指向自身,没有分配内存
		c.buf = c.raceaddr()
	case elem.kind&kindNoPointers != 0:
		// Elements do not contain pointers.
		// Allocate hchan and buf in one call.
		// 分配一整块内存,用于存储hchan和 buf
		c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+uintptr(size)*elem.size, nil, true))
		c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)
	default:
		// Elements contain pointers.
		// 是指针类型,那正常分配hchan结构体即可,buf单独分配
		c = new(hchan)
		c.buf = mallocgc(uintptr(size)*elem.size, elem, true)
	}
	// 初始化 hchan的属性
	c.elemsize = uint16(elem.size)
	c.elemtype = elem
	c.dataqsiz = uint(size)

	return c
}
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2.1.3. chanrecv1

chanrecv1 调用了chanrecv 实现,chanrecv 监听channel并接收 channel里面的数据,并写入到 ep 里面

func chanrecv1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {
	chanrecv(c, elem, true)
}

func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
	lock(&c.lock)
	if c.closed != 0 && c.qcount == 0 {
		unlock(&c.lock)
		if ep != nil {
			// 清空地址里面的数据值,但不会改变类型
			typedmemclr(c.elemtype, ep)
		}
		return true, false
	}

	if sg := c.sendq.dequeue(); sg != nil {
		// 获取一个等待send的sudog,然后判断channel是否有缓冲区,如果有无缓冲区,获取sudog里面的数据即可, 如果channel有缓冲区,则获取缓冲区的头元素,把获取到的sudog的元素添加到缓冲区的队尾
		recv(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
		return true, true
	}

	if c.qcount > 0 {
		// Receive directly from queue
		// 缓冲区有数据,且send队列没有等待发送数据的sudog,(异步且缓冲区刚满或未满的情况),根据recvx索引,获取数据
		qp := chanbuf(c, c.recvx)
		// 如果ep不为nil,拷贝 gp 到 ep
		if ep != nil {
			typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
		}
		// gp地址里的数据清除
		typedmemclr(c.elemtype, qp)
		// 更新下一次recv的索引
		c.recvx++
		if c.recvx == c.dataqsiz {
			c.recvx = 0
		}
		// 更新 qcount计数
		c.qcount--
		unlock(&c.lock)
		return true, true
	}

	if !block {
		unlock(&c.lock)
		return false, false
	}

	// no sender available: block on this channel.
	// 找不到send 的sudog,缓冲区也没有数据,需要阻塞
	gp := getg()
	// 获取一个sudog的结构,并更新这个sudog的属性
	mysg := acquireSudog()
	mysg.releasetime = 0
	// No stack splits between assigning elem and enqueuing mysg
	// on gp.waiting where copystack can find it.
	mysg.elem = ep
	mysg.waitlink = nil
	gp.waiting = mysg
	mysg.g = gp
	mysg.isSelect = false
	mysg.c = c
	gp.param = nil
	// 把这个sudog放入到recv的队列
	c.recvq.enqueue(mysg)
	// 休眠这个g,当g被唤醒后,从这里继续执行
	goparkunlock(&c.lock, waitReasonChanReceive, traceEvGoBlockRecv, 3)

	// someone woke us up
	if mysg != gp.waiting {
		throw("G waiting list is corrupted")
	}
	gp.waiting = nil
	if mysg.releasetime > 0 {
		blockevent(mysg.releasetime-t0, 2)
	}
	closed := gp.param == nil
	gp.param = nil
	mysg.c = nil
	// 清理完sudog的属性后,把sudog释放
	releaseSudog(mysg)
	return true, !closed
}
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通过上面的逻辑,可以看出来数据传输的四种可能

  • sendq队列不为空,但是buf为空(同步有阻塞g的情况): 获取sendq队列头的sudog,并把sudog.elem数据拷贝目标地址 ep
  • sendq队列不为空,buf也不为空(异步有阻塞g的情况):把buf头元素拷贝到目标地址ep, 获取sendq队列头的sudog,然后把sudog.elem的数据拷贝到buf队尾,释放sudog
  • sendq队列为空,但是buf不为空(异步无阻塞g的情况):把buf头元素拷贝到目标地址ep即可
  • sendq队列为空,buf也为空(同步无阻塞g的情况):这时候就需要就需要阻塞自身,获取一个sudog的结构,放到channel的recvq队列里,等待send的g来唤醒自己,并把自己的数据拷贝到目标地址

这里细想一下,其实会发现一个问题,在上面L66 goparkunlock(&c.lock, waitReasonChanReceive, traceEvGoBlockRecv, 3) 休眠g后,g被唤醒后从这里开始继续往下执行,好像没有什么逻辑显示,这个recv g获取到了数据,这个g阻塞在这里是为了等数据来的,但是下面的逻辑,竟然没有一个是操作数据的?

接下来分析的 recv 这个方法就能理解了

2.1.3.1. recv

func recv(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
	// 如果是无缓冲区的channel
	if c.dataqsiz == 0 {
		if ep != nil {
			// copy data from sender
			// 直接在两个g之间进行数据拷贝
			recvDirect(c.elemtype, sg, ep)
		}
	} else {
		// 这里是有缓冲区才会走到的逻辑
		// Queue is full. Take the item at the
		// head of the queue. Make the sender enqueue
		// its item at the tail of the queue. Since the
		// queue is full, those are both the same slot.
		// 因为在sendq队列获取到了等待发送数据的sudog,所以说明缓冲区已经满了,根据rcvx获取buf里面队列首元素的地址
		qp := chanbuf(c, c.recvx)
		// copy data from queue to receiver
		if ep != nil {
			// 把buf里面的数据拷贝到ep里面
			typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
		}
		// copy data from sender to queue
		// 把从sendq队列获取到的sudog的数据拷贝到刚刚的buf地址里面,并更新buf里面recvx的索引,也就是表名,buf队列的首元素地址后移
		typedmemmove(c.elemtype, qp, sg.elem)
		c.recvx++
		if c.recvx == c.dataqsiz {
			c.recvx = 0
		}
		c.sendx = c.recvx // c.sendx = (c.sendx+1) % c.dataqsiz
	}
	// 清空sudog的数据
	sg.elem = nil
	gp := sg.g
	unlockf()
	gp.param = unsafe.Pointer(sg)
	if sg.releasetime != 0 {
		sg.releasetime = cputicks()
	}
	// 唤醒sendq里面获取的sugog对应的g
	goready(gp, skip+1)
}
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结合上面的逻辑就发现,g在被唤醒之前,跟g相关的sudog的数据就已经被channel使用掉了,所以当g被唤醒时,无需处理跟数据传输相关的逻辑了

2.1.3.2. acquireSudog

获取一个sudog的结构,这里跟cache和scheduler调度待运行g的队列一样,使用了 p sched 的两级缓存,也就是本地缓存一个sudog的数组,同时在全局的 sched结构上面也维护了一个sudogcache的链表,当p本地的sudog不足或者过多的时候,就去跟全局的sched 进行平衡

func acquireSudog() *sudog {
	// 加锁
	mp := acquirem()
	pp := mp.p.ptr()
	// 如果当前缓存的没有sudog了,则去全局的sched中批量拉取一些sudog缓存到当前p
	if len(pp.sudogcache) == 0 {
		lock(&sched.sudoglock)
		// First, try to grab a batch from central cache.
		for len(pp.sudogcache) < cap(pp.sudogcache)/2 && sched.sudogcache != nil {
			s := sched.sudogcache
			sched.sudogcache = s.next
			s.next = nil
			pp.sudogcache = append(pp.sudogcache, s)
		}
		unlock(&sched.sudoglock)
		// If the central cache is empty, allocate a new one.
		if len(pp.sudogcache) == 0 {
			pp.sudogcache = append(pp.sudogcache, new(sudog))
		}
	}
	// 从本地缓存的sudog里面,获取第一个返回,并更新sudogcache slice
	n := len(pp.sudogcache)
	s := pp.sudogcache[n-1]
	pp.sudogcache[n-1] = nil
	pp.sudogcache = pp.sudogcache[:n-1]
	if s.elem != nil {
		throw("acquireSudog: found s.elem != nil in cache")
	}
	// 去锁
	releasem(mp)
	return s
}
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2.1.3.3. releaseSudog

releaseSudog 就是释放当前使用的sudog,并平衡p本地缓存的sudog和全局队列的sudog

func releaseSudog(s *sudog) {
	mp := acquirem() // avoid rescheduling to another P
	pp := mp.p.ptr()
	// 如果 p本地缓存的sudog的数量超出这个slice的最大长度,则平衡一般的sudog到全局的sched上面
	if len(pp.sudogcache) == cap(pp.sudogcache) {
		// Transfer half of local cache to the central cache.
		var first, last *sudog
		for len(pp.sudogcache) > cap(pp.sudogcache)/2 {
			n := len(pp.sudogcache)
			p := pp.sudogcache[n-1]
			pp.sudogcache[n-1] = nil
			pp.sudogcache = pp.sudogcache[:n-1]
			if first == nil {
				first = p
			} else {
				last.next = p
			}
			last = p
		}
		lock(&sched.sudoglock)
		last.next = sched.sudogcache
		sched.sudogcache = first
		unlock(&sched.sudoglock)
	}
	// 把释放的sudog放到本地缓存的slice里面
	pp.sudogcache = append(pp.sudogcache, s)
	releasem(mp)
}
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2.1.4. chansend1

发送逻辑跟接收的逻辑差不多

func chansend1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {
	chansend(c, elem, true, getcallerpc())
}

func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
	lock(&c.lock)
	// 从recvq队列获取一个 sudog
	if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {
		// Found a waiting receiver. We pass the value we want to send
		// directly to the receiver, bypassing the channel buffer (if any).
		send(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
		return true
	}
	// 如果qcount < dataqsiz,说明这个channel是带buf的channel,而且buf没有满,直接把数据ep添加到buf队尾即可
	if c.qcount < c.dataqsiz {
		// Space is available in the channel buffer. Enqueue the element to send.
		qp := chanbuf(c, c.sendx)
		typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)
		c.sendx++
		if c.sendx == c.dataqsiz {
			c.sendx = 0
		}
		// 更新qcount
		c.qcount++
		unlock(&c.lock)
		return true
	}

	if !block {
		unlock(&c.lock)
		return false
	}

	// Block on the channel. Some receiver will complete our operation for us.
	// 走到这里说明,buf满了或者没有buf,而且recvq队列为空,就需要阻塞当前的g,等待有其他的g接收数据
	gp := getg()
	// 获取一个sudog,并初始化相关属性
	mysg := acquireSudog()
	mysg.releasetime = 0
	if t0 != 0 {
		mysg.releasetime = -1
	}
	// No stack splits between assigning elem and enqueuing mysg
	// on gp.waiting where copystack can find it.
	mysg.elem = ep
	mysg.waitlink = nil
	mysg.g = gp
	mysg.isSelect = false
	mysg.c = c
	gp.waiting = mysg
	gp.param = nil
	// 把sudog入队sendq
	c.sendq.enqueue(mysg)
	// 休眠当前g,等待其他的g recv数据,recv数据后,唤醒这个g
	goparkunlock(&c.lock, waitReasonChanSend, traceEvGoBlockSend, 3)

	// someone woke us up.
	if mysg != gp.waiting {
		throw("G waiting list is corrupted")
	}
	gp.waiting = nil
	if gp.param == nil {
		if c.closed == 0 {
			throw("chansend: spurious wakeup")
		}
		panic(plainError("send on closed channel"))
	}
	gp.param = nil
	if mysg.releasetime > 0 {
		blockevent(mysg.releasetime-t0, 2)
	}
	mysg.c = nil
	// 释放sudog
	releaseSudog(mysg)
	return true
}
复制代码

2.1.4.1. send

sendrecv 的逻辑也是大致相同的,而且因为从recvq里面拿到了一个sudog,所以说明缓冲区为空,那么send方法就不需要考虑往缓冲区添加数据了,sendrecv更加简单,只需要交换数据、唤醒g即可

func send(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
	if sg.elem != nil {
		sendDirect(c.elemtype, sg, ep)
		sg.elem = nil
	}
	gp := sg.g
	unlockf()
	gp.param = unsafe.Pointer(sg)
	if sg.releasetime != 0 {
		sg.releasetime = cputicks()
	}
	goready(gp, skip+1)
}
复制代码

2.1.5. closechan

收发数据已经结束了,最后就是关闭channel了

func closechan(c *hchan) {
	// nil chan 检查
	if c == nil {
		panic(plainError("close of nil channel"))
	}

	lock(&c.lock)
	// closed chan 检查
	if c.closed != 0 {
		unlock(&c.lock)
		panic(plainError("close of closed channel"))
	}
	// 设置c为closed状态
	c.closed = 1

	var glist *g

	// release all readers
	// 遍历 recvq,清除sudog的数据,并把recvq中sudog对应的g串成一个链表
	for {
		sg := c.recvq.dequeue()
		if sg == nil {
			break
		}
		if sg.elem != nil {
			typedmemclr(c.elemtype, sg.elem)
			sg.elem = nil
		}
		if sg.releasetime != 0 {
			sg.releasetime = cputicks()
		}
		gp := sg.g
		gp.param = nil
		gp.schedlink.set(glist)
		glist = gp
	}

	// release all writers (they will panic)
	// 遍历sendq,清除sudog的数据,并把sendq中的sudog中的g和recvq中的sudog一起串成一个链表
	for {
		sg := c.sendq.dequeue()
		if sg == nil {
			break
		}
		sg.elem = nil
		if sg.releasetime != 0 {
			sg.releasetime = cputicks()
		}
		gp := sg.g
		gp.param = nil
		if raceenabled {
			raceacquireg(gp, c.raceaddr())
		}
		gp.schedlink.set(glist)
		glist = gp
	}
	unlock(&c.lock)

	// Ready all Gs now that we've dropped the channel lock.
	// 唤醒上面收集的所有的g
	for glist != nil {
		gp := glist
		glist = glist.schedlink.ptr()
		gp.schedlink = 0
		goready(gp, 3)
	}
}
复制代码

chan close之后,所有阻塞的recvq 和 sendq(recvq和sendq只有有一个队列存在)中的sudog,清除sudog的一些数据和状态,设置 gp.param = nil, 让上层逻辑知道这是因为 close chan导致的

唤醒所有的g之后,g就会 继续执行 chansend 或者 chanrecv 中剩余的逻辑,也就是释放sudog(这也就是为什么 closechan 不需要释放sudog的原因)

2.1.6. 总结

语言的表述总是苍白的,在网上找资料的时候正好看到了两张流程图,可以结合着来看

发送流程(send)

接收流程(recv)

img

2.2. select

2.2.1. main

channel的收发流程在上面已经追踪了,流程也已经清晰了,但是跟channel一起使用的还有一个select,那select的流程又是什么呢

我们还是用go tool工具分析一下

func main() {
	c1 := make(chan int)
	c2 := make(chan int)
	go func() {
		time.Sleep(time.Second)
		<-c2
		c1 <- 1
	}()
	select {
	case v := <-c1:
		fmt.Printf("%d <- c1", v)
	case c2 <- 1:
		fmt.Println("c2 <- 1")
	}
}
复制代码

分析结果过滤一下CALL

  main.go:9             0x4a05c6                e81542f6ff                      CALL runtime.makechan(SB)               
  main.go:10            0x4a05ec                e8ef41f6ff                      CALL runtime.makechan(SB)               
  main.go:11            0x4a0620                e82b3bf9ff                      CALL runtime.newproc(SB)                
  main.go:16            0x4a0654                e82c94fbff                      CALL 0x459a85                           
  main.go:16            0x4a06e3                e8d8b7f9ff                      CALL runtime.selectgo(SB)               
  main.go:18            0x4a074c                e8df8df6ff                      CALL runtime.convT2E64(SB)              
  main.go:18            0x4a07ec                e8cf89ffff                      CALL fmt.Printf(SB)                     
  main.go:18            0x4a0806                e8f587fbff                      CALL runtime.gcWriteBarrier(SB)         
  main.go:20            0x4a088c                e87f8bffff                      CALL fmt.Println(SB)                    
  main.go:8             0x4a0898                e85369fbff                      CALL runtime.morestack_noctxt(SB)       
  main.go:12            0x4a0945                e8868efaff              CALL time.Sleep(SB)                     
  main.go:13            0x4a095c                e8ff4bf6ff              CALL runtime.chanrecv1(SB)              
  main.go:14            0x4a0976                e85541f6ff              CALL runtime.chansend1(SB)              
  main.go:11            0x4a0985                e86668fbff              CALL runtime.morestack_noctxt(SB) 
复制代码

可以看出来,select 的实现是靠 selectgo 函数的

以为就这样吗,然后我们就开始分析 selectgo 函数了,不,在我手贱的时候还发现了另一种情况

func main() {
	c1 := make(chan int)
	go func() {
		time.Sleep(time.Second)
		c1 <- 1
	}()
	select {
	case <-c1:
		fmt.Printf("c1 <- 1")
	default:
		fmt.Println("default")
	}
}
复制代码

分析结果如下:

  main.go:9             0x49eca8                e8335bf6ff              CALL runtime.makechan(SB)               
  main.go:11            0x49eccf                e85c54f9ff              CALL runtime.newproc(SB)                
  main.go:17            0x49ece6                e83570f6ff              CALL runtime.selectnbrecv(SB)           
  main.go:18            0x49ed1c                e88f8bffff              CALL fmt.Printf(SB)                     
  main.go:22            0x49ed8f                e86c8dffff              CALL fmt.Println(SB)                    
  main.go:8             0x49ed96                e8556cfbff              CALL runtime.morestack_noctxt(SB)       
  main.go:12            0x49ee35                e87692faff              CALL time.Sleep(SB)                     
  main.go:13            0x49ee4f                e87c5cf6ff              CALL runtime.chansend1(SB)              
  main.go:11            0x49ee5e                e88d6bfbff              CALL runtime.morestack_noctxt(SB) 
复制代码

可以看到,这里 select 的实现是依靠底层的 selectnbrecv 的函数的,如果,既然有 selectnbrecv 函数,会不会有 selectnbsend 函数呢,继续试验一下

func main() {
	c1 := make(chan int)
	go func() {
		time.Sleep(time.Second)
		<- c1
	}()
	select {
	case c1 <- 1:
		fmt.Printf("c1 <- 1")
	default:
		fmt.Println("default")
	}
}
复制代码

分析j结果

  main.go:9             0x49ecb3                e8285bf6ff                      CALL runtime.makechan(SB)               
  main.go:11            0x49ecda                e85154f9ff                      CALL runtime.newproc(SB)                
  main.go:17            0x49ed05                e81670f6ff                      CALL runtime.selectnbsend(SB)           
  main.go:18            0x49ed3b                e8708bffff                      CALL fmt.Printf(SB)                     
  main.go:22            0x49edb4                e8478dffff                      CALL fmt.Println(SB)                    
  main.go:8             0x49edbb                e8306cfbff                      CALL runtime.morestack_noctxt(SB)       
  main.go:12            0x49ee65                e84692faff              CALL time.Sleep(SB)                     
  main.go:13            0x49ee7c                e8df66f6ff              CALL runtime.chanrecv1(SB)              
  main.go:11            0x49ee8b                e8606bfbff              CALL runtime.morestack_noctxt(SB)
复制代码

这里就是用 selectnbsend 函数实现了 select 语句,然后继续试验,得出结论如下:

  • 如果select语句中只有一个 case在等待从channel中接收数据,则调用 selectnbrecv实现
  • 如果select语句中只有一个 case在等待向channel发送数据,则调用 selectnbsend实现
  • 如果select语句中有多个case,在等待向一个或多个channel发送或接收数据,则调用 selectgo 实现

好了,我们开始从 selectgo 开始跟踪了,但是跟踪selectgo之前,我们需要选跟踪一下 reflect_rselect , 不然看着 selectgo 函数的参数,完全就是一脸懵逼啊

2.2.2. reflect_rselect

func reflect_rselect(cases []runtimeSelect) (int, bool) {
	// 如果没有case的select,休眠当前goroutine
	if len(cases) == 0 {
		block()
	}
	sel := make([]scase, len(cases))
	order := make([]uint16, 2*len(cases))
	for i := range cases {
		rc := &cases[i]
		switch rc.dir {
		case selectDefault:
			sel[i] = scase{kind: caseDefault}
		case selectSend:
			// 如果是发送的话,c <- 1, rc.val 就是1的地址
			sel[i] = scase{kind: caseSend, c: rc.ch, elem: rc.val}
		case selectRecv:
			// 如果是接收的话,v:= <- c, rc.val 就是v的地址
			sel[i] = scase{kind: caseRecv, c: rc.ch, elem: rc.val}
		}
	}
	return selectgo(&sel[0], &order[0], len(cases))
}
复制代码

2.2.3. selectgo

func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, ncases int) (int, bool) {
	cas1 := (*[1 << 16]scase)(unsafe.Pointer(cas0))
	order1 := (*[1 << 17]uint16)(unsafe.Pointer(order0))
	// order是 2*ncases长度的slice,然后把 order[0-ncases] 给 pollorder用,order[ncases-2ncases] 给lockorder用
	scases := cas1[:ncases:ncases]
	pollorder := order1[:ncases:ncases]
	lockorder := order1[ncases:][:ncases:ncases]

	// Replace send/receive cases involving nil channels with
	// caseNil so logic below can assume non-nil channel.
	for i := range scases {
		cas := &scases[i]
		if cas.c == nil && cas.kind != caseDefault {
			*cas = scase{}
		}
	}

	// The compiler rewrites selects that statically have
	// only 0 or 1 cases plus default into simpler constructs.
	// The only way we can end up with such small sel.ncase
	// values here is for a larger select in which most channels
	// have been nilled out. The general code handles those
	// cases correctly, and they are rare enough not to bother
	// optimizing (and needing to test).

	// generate permuted order
	// 确定轮询的顺序
	for i := 1; i < ncases; i++ {
		j := fastrandn(uint32(i + 1))
		pollorder[i] = pollorder[j]
		pollorder[j] = uint16(i)
	}

	// sort the cases by Hchan address to get the locking order.
	// simple heap sort, to guarantee n log n time and constant stack footprint.
	// 通过hchan的地址来确定加锁顺序,使用堆排序减少时间复杂度
	for i := 0; i < ncases; i++ {
		j := i
		// Start with the pollorder to permute cases on the same channel.
		c := scases[pollorder[i]].c
		for j > 0 && scases[lockorder[(j-1)/2]].c.sortkey() < c.sortkey() {
			k := (j - 1) / 2
			lockorder[j] = lockorder[k]
			j = k
		}
		lockorder[j] = pollorder[i]
	}
	for i := ncases - 1; i >= 0; i-- {
		o := lockorder[i]
		c := scases[o].c
		lockorder[i] = lockorder[0]
		j := 0
		for {
			k := j*2 + 1
			if k >= i {
				break
			}
			if k+1 < i && scases[lockorder[k]].c.sortkey() < scases[lockorder[k+1]].c.sortkey() {
				k++
			}
			if c.sortkey() < scases[lockorder[k]].c.sortkey() {
				lockorder[j] = lockorder[k]
				j = k
				continue
			}
			break
		}
		lockorder[j] = o
	}

	// lock all the channels involved in the select
	// 根据上面确定的加锁顺序 lockorder,来逐个对case进行加锁
	sellock(scases, lockorder)

	var (
		gp     *g
		sg     *sudog
		c      *hchan
		k      *scase
		sglist *sudog
		sgnext *sudog
		qp     unsafe.Pointer
		nextp  **sudog
	)

loop:
	// pass 1 - look for something already waiting
	var dfli int
	var dfl *scase
	var casi int
	var cas *scase
	var recvOK bool
	for i := 0; i < ncases; i++ {
		// 根据pollorder,获取当前轮询到的case
		casi = int(pollorder[i])
		cas = &scases[casi]
		c = cas.c

		switch cas.kind {
		// nil类型的case,无视,继续下一个
		case caseNil:
			continue

		case caseRecv:
			// recv类型的case,判断sendq的队列中有没有等待发送数据的sudog,如果获取到的话,跳转到 recv
			sg = c.sendq.dequeue()
			if sg != nil {
				goto recv
			}
			// 没有sudog在sendq队列排队,然后检查buf里面是否有数据,如果buf里有,则跳转到bufrecv
			if c.qcount > 0 {
				goto bufrecv
			}
			// 最后 sendq buf都拿不到数据,则判断这个channel是否为关闭状态了
			// 所以 可以看出来,如果我们关闭一个带buf的channel,在关闭之后还是能把之前存储的数据读完的
			if c.closed != 0 {
				goto rclose
			}

		case caseSend:
			// send 类型的case,首先确认channel是否关闭
			if c.closed != 0 {
				goto sclose
			}
			// 然后判断,recvq队列里面有没有等待接收数据的sudog,有则跳转到 send 标签
			sg = c.recvq.dequeue()
			if sg != nil {
				goto send
			}
			// 判断是否有空余的buf位置,可以让自己把数据放上去,如果有,则跳转到bufsend标签
			if c.qcount < c.dataqsiz {
				goto bufsend
			}

		case caseDefault:
			// 更新并记录 case的索引及地址
			dfli = casi
			dfl = cas
		}
	}
	// 根据 dfl 来判断是否有 default,并且走到了
	// 在所有 case遍历完成后,如果不需要等待,都会跳转到相应的标签,例如 recv bufrecv send等,如果走到这里,说明所有的case都无法直接获取或发送数据,等待另一个g的就绪
	if dfl != nil {
		selunlock(scases, lockorder)
		casi = dfli
		cas = dfl
		// 如果有default,直接执行default
		goto retc
	}

	// pass 2 - enqueue on all chans
	// 流程执行到这里,所有的case都需要等待,且没有default执行
	gp = getg()
	if gp.waiting != nil {
		throw("gp.waiting != nil")
	}
	nextp = &gp.waiting
	// 按照lockorder,对每个case,创建相应的sudog并放入case对应的channel的recvq或sendq队列
	for _, casei := range lockorder {
		casi = int(casei)
		cas = &scases[casi]
		if cas.kind == caseNil {
			continue
		}
		c = cas.c
		// 每一个case获取一个sudog,绑定到case对应的cahnnel的sendq或recvq队列
		sg := acquireSudog()
		sg.g = gp
		sg.isSelect = true
		// No stack splits between assigning elem and enqueuing
		// sg on gp.waiting where copystack can find it.
		sg.elem = cas.elem
		sg.releasetime = 0
		if t0 != 0 {
			sg.releasetime = -1
		}
		sg.c = c
		// Construct waiting list in lock order.
		// 按照lockorder,把这些sudog,依赖sudog.waitlink串联起来
		*nextp = sg
		nextp = &sg.waitlink

		switch cas.kind {
		case caseRecv:
			// 如果recv,放入到recvq队列
			c.recvq.enqueue(sg)

		case caseSend:
			// 如果是send,放入到sendq队列
			c.sendq.enqueue(sg)
		}
	}

	// wait for someone to wake us up
	// 休眠等待唤醒
	gp.param = nil
	gopark(selparkcommit, nil, waitReasonSelect, traceEvGoBlockSelect, 1)
	// 
	sellock(scases, lockorder)

	gp.selectDone = 0
	sg = (*sudog)(gp.param)
	gp.param = nil

	// pass 3 - dequeue from unsuccessful chans
	// otherwise they stack up on quiet channels
	// record the successful case, if any.
	// We singly-linked up the SudoGs in lock order.
	casi = -1
	cas = nil
	sglist = gp.waiting
	// Clear all elem before unlinking from gp.waiting.
	// 在解散waiting这个队列前,先把数据清空,因为执行到这列,肯定是因为另一个goroutine在recv或send 某个channel,并且拿到数据导致的,所以,执行到这里后,数据都没用了
	for sg1 := gp.waiting; sg1 != nil; sg1 = sg1.waitlink {
		sg1.isSelect = false
		sg1.elem = nil
		sg1.c = nil
	}
	gp.waiting = nil

	for _, casei := range lockorder {
		k = &scases[casei]
		if k.kind == caseNil {
			continue
		}
		if sglist.releasetime > 0 {
			k.releasetime = sglist.releasetime
		}
		if sg == sglist {
			// sg has already been dequeued by the G that woke us up.
			// 确定这个sudog导致的自身被唤醒
			casi = int(casei)
			cas = k
		} else {
			// 把其他还在等待的sudog从等待队列中移除
			c = k.c
			if k.kind == caseSend {
				c.sendq.dequeueSudoG(sglist)
			} else {
				c.recvq.dequeueSudoG(sglist)
			}
		}
		sgnext = sglist.waitlink
		sglist.waitlink = nil
		releaseSudog(sglist)
		sglist = sgnext
	}

	if cas == nil {
		// 如果cas为nil,说明有可能因为其他因素被唤醒,再循环一次
		goto loop
	}

	c = cas.c
	if cas.kind == caseRecv {
		recvOK = true
	}
	selunlock(scases, lockorder)
	goto retc

bufrecv:
	// can receive from buffer
	// recv操作,并buf不为空,从buf中获取数据即可
	recvOK = true
	qp = chanbuf(c, c.recvx)
	if cas.elem != nil {
		typedmemmove(c.elemtype, cas.elem, qp)
	}
	typedmemclr(c.elemtype, qp)
	// 更新buf中recvx的索引
	c.recvx++
	if c.recvx == c.dataqsiz {
		c.recvx = 0
	}
	// 更新buf中数据的数量
	c.qcount--
	// 解锁当前case
	selunlock(scases, lockorder)
	goto retc

bufsend:
	// can send to buffer
	// send操作,且buf有空余位置存储,把自己的数据拷贝到buf队尾
	typedmemmove(c.elemtype, chanbuf(c, c.sendx), cas.elem)
	// 更新buf中sendx的索引
	c.sendx++
	if c.sendx == c.dataqsiz {
		c.sendx = 0
	}
	// 更新buf中数据的数量
	c.qcount++
	// 解锁当前case
	selunlock(scases, lockorder)
	goto retc

recv:
	// can receive from sleeping sender (sg)
	// recv操作,但是sendq中有sudog在等待,通过recv方法,获取数据
	recv(c, sg, cas.elem, func() { selunlock(scases, lockorder) }, 2)
	recvOK = true
	goto retc

rclose:
	// read at end of closed channel
	// recv 操作,但是这个channel已经close了
	selunlock(scases, lockorder)
	recvOK = false
	if cas.elem != nil {
		typedmemclr(c.elemtype, cas.elem)
	}
	goto retc

send:
	// can send to a sleeping receiver (sg)
	// send操作,但是recvq队列中有在等待的sudog
	send(c, sg, cas.elem, func() { selunlock(scases, lockorder) }, 2)
	goto retc

retc:
	// 返回
	return casi, recvOK

sclose:
	// send on closed channel
	selunlock(scases, lockorder)
	panic(plainError("send on closed channel"))
}
复制代码

2.2.4. selectnbrecv

当一个select里面只有一个 case,且这个case 是接收数据的操作的时候,select就会调用 selectnbrecv 函数来实现

func selectnbrecv(elem unsafe.Pointer, c *hchan) (selected bool) {
	selected, _ = chanrecv(c, elem, false)
	return
}
复制代码

这里就会发现 selectnbrecv 就是调用了 chanrecv 来实现,也就是我们上面解析的 <- c1 是一样的,就相当于 select 退变 成单独的 <- c 的表达了

2.2.5. selectnbsend

selectnbrecv 一样,当select只有一个case,且这个case是发送数据到channel的,就会退变成 c <- 1 的表达了

func selectnbsend(c *hchan, elem unsafe.Pointer) (selected bool) {
	return chansend(c, elem, false, getcallerpc())
}
复制代码

2.2.6. 总结

所以,select的流程大致如下

  1. 对每个case进行收发判断,是否需要阻塞,不需要,直接跳转执行
  2. 如果每个case的收发操作都需要阻塞等待,则判断有没有default,如果有,执行default
  3. 如果每个case的收发操作都需要徐瑟等待,且没有default,那就为每个case创建一个sudog,绑定到case对应的channel的sendq或recvq队列
  4. 如果某个sudog被临幸,然后被唤醒了,清空所有sudog的数据等属性,并把其他的sudog从队列中移除
  5. 至此,一个select操作结束

3. 总结

我还是很像吐槽一下,selectgo 函数华丽丽的写了300多行,里面还使用了若干的 goto 去进行跳转,真的不可以分拆一下吗,不过大神的代码,还是真的需要膜拜的

4. 参考文档

本文来自:掘金

感谢作者:tyloafer

查看原文:深入理解go-channel和select的原理(废弃)

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