go channel实现

kai_ding · · 9349 次点击 · · 开始浏览    
这是一个创建于 的文章,其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。

Go语言经过多年的发展,于最近推出了第一个稳定版本。相对于C/C++来说,Go有很多独特之出,比如提供了相当抽象的工具,如channel和goroutine。本文主要介绍channel的实现方式。

简介

channel有四个操作:

  • 创建:c = make(chan int)
  • 发送:c <- 1
  • 提取:i <- c
  • 关闭:close(c)

根据创建方式的不同,channel还可分为有buffer的channel和没有buffer的channel。buffer的大小由make的第二个参数指定,默认为0,即没有buffer。创建有buffer的channel的方式是:c = make(chan int, 10)

channel的实现主要在文件src/pkg/runtime/chan.c里面。它的数据结构如下:

struct	Hchan
{
	uint32	qcount;			// total data in the q
	uint32	dataqsiz;		// size of the circular q
	uint16	elemsize;
	bool	closed;
	uint8	elemalign;
	Alg*	elemalg;		// interface for element type
	uint32	sendx;			// send index
	uint32	recvx;			// receive index
	WaitQ	recvq;			// list of recv waiters
	WaitQ	sendq;			// list of send waiters
	Lock;
};

发送流程

Hchan中的两个WaitQrecvqsendq)是两个队列,分别保存等待从该channel提取和发送的goroutine。以向没有buffer的channel发送为例,

  • 如果向该channel发送数据的goroutine发现recvq不为空,则从recvq中取出一个goroutine,然后把数据传给它,发送完成,发送方goroutine可以继续执行。提取方goroutine则结束block状态,可以被调度执行。
  • 否则,发送方goroutine被存入sendq队列,且发送方goroutine进入block状态,调度算法选择其它goroutine执行。

如果channel有buffer,

  • 如果buffer里有空间,则把数据存入buffer,发送完成;如果recvq队列里有等待的goroutine,则取出一个,并将其唤醒,等待调度执行。发送方goroutine继续执行。
  • 如果buffer已满,则发送方goroutine被存入sendq队列,发送方goroutine进入block状态,调度算法选择其它goroutine执行。

如果向已经关闭的channel发送数据,程序会报错并异常退出。如下面的程序:

package main

func main() {
	c := make(chan int)
	d := make(chan int)
	go func() {
		<-d
		close(c)
	} ()
	d <- 4
	c <- 3
}

从已经关闭的channel收取数据不会报错,也不会异常退出,但是我不确定得到什么样的值。除此之外,提取和发送的实现基本是相对的,就不再介绍了。

Buffer空间

buffer的空间紧挨着channel,是在创建的channel的时候一起分配的,

c = (Hchan*)runtime·mal(n + hint*elem->size);

其中hint即为buffer的元素个数,会保存在dataqsiz里,另外一起管理buffer的还有qcountsendxrecvx,分别表示buffer里的元素个数,下一次发送操作存放数据的位置,以及下一次提取数据的位置。这个buffer是个circular buffer。

Channel与Select

channel配合select语句,可以实现multiplex的效果,如:

select {
case <-c1:
case <-c2:
}

c1c2哪个channel先有数据到达,哪个case先执行;都没有数据,就block住;都有数据,以一个公平的方式随机选择一个case执行。select语句本身没有增加channel的操作方式,但是它本身的实现也很有趣:

  • 当select被block住,它所在的goroutine将被挂在多个channel的sendq或者recvq上。比如上面的例子中,select所在的goroutine将被挂在c1c2recvq上,如果这时有另外两个goroutine同时分别向c1c2发送数据,那么它们将操作同一个goroutine(尽管是不同的channel),这种情况下,要么加锁,要么用原子操作。这就是为什么dequeue里要使用runtime·cas的原因,虽然调用dequeue之前上锁了,但那是给sendq/recvq上锁,不是给goroutine上锁。
  • 不同goroutine里面的select语句可能操作同一组channel,那么就有上锁的必要。Go的实现里每个channel有自己的锁,所以select就需要上多个锁,稍有不慎,可能导致死锁。Go的实现是用bubble sort把channel的地址(即Hchan*)排序,然后依次上锁。
  • 最后就是如何实现相对公平。

相对公平的另一个说法就是每个channel被选中的概率是相等的。实现如下:

	for(i=0; incase; i++)
		sel->pollorder[i] = i;
	for(i=1; incase; i++) {
		o = sel->pollorder[i];
		j = runtime·fastrand1()%(i+1);
		sel->pollorder[i] = sel->pollorder[j];
		sel->pollorder[j] = o;
	}

每个迭代做的事情就是在前i个元素里随机选择一个放在第i个位置上。这个算法比programming pearls里面的难理解,因为每个元素可能被移动多次。我们分两种情况来讨论,对于任意一个位置i,最终落在这个位置的元素可能来自i之前(包括i)或者i之后。

如果是来自与i之前(包括i),那么它在之后就不能被交换出去。所以它留在位置i的概率为(1/i) * i/(i+1) * (i+1)/(i+2) * ... * (n-1)/n = 1/n

如果来自i之后(如位置k),那么在换到i之后,不能有其后的元素再和i交换,所以概率为(1/k) * k/(k+1) * ... * (n-1)/n = 1/n

由以上两种情况可知,任何一个元素出现在位置i的概率都是1/n

因此,按照pollorder的顺序依次检查case是否能够执行,对于每个case来说,是公平的。

原文链接

本文来自:CSDN博客

感谢作者:kai_ding

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