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【Go语言设计与实现】Channel

本节会介绍管道 Channel 的设计原理、数据结构和常见操作,例如 Channel 的创建、发送、接收和关闭。虽然 Channel 与关键字 rangeselect 的关系紧密,但是因为在前面的两节中已经分析了 Channel 在不同的控制结构中组合使用时的现象,所以本节就不会再次介绍了。作为 Go 核心的数据结构和 Goroutine 之间的通信方式,Channel 是支撑 Go 语言高性能并发编程模型的重要结构,我们首先需要了解 Channel 背后的设计原理以及它的底层数据结构。

设计原理

Go 语言中最常见的、也是经常被人提及的设计模式就是 — 不要通过共享内存的方式进行通信,而是应该通过通信的方式共享内存。在很多主流的编程语言中,多个线程传递数据的方式一般都是共享内存,为了解决线程冲突的问题,我们需要限制同一时间能够读写这些变量的线程数量,这与 Go 语言鼓励的方式并不相同。

shared-memory

虽然我们在 Go 语言中也能使用共享内存加互斥锁进行通信,但是 Go 语言提供了一种不同的并发模型,也就是通信顺序进程(Communicating sequential processes,CSP)1。Goroutine 和 Channel 分别对应 CSP 中的实体和传递信息的媒介,Go 语言中的 Goroutine 会通过 Channel 传递数据。

channel-and-goroutines

上图中的两个 Goroutine,一个会向 Channel 中发送数据,另一个会从 Channel 中接收数据,它们两者能够独立运行并不存在直接关联,但是能通过 Channel 间接完成通信。

先入先出

目前的 Channel 收发操作均遵循了先入先出(FIFO)的设计,具体规则如下:

  • 先从 Channel 读取数据的 Goroutine 会先接收到数据;
  • 先向 Channel 发送数据的 Goroutine 会得到先发送数据的权利;

这种 FIFO 的设计是相对好理解的,但是 Go 语言稍早版本的实现却不是严格遵循这一语义的,runtime: make sure blocked channels run operations in FIFO order 中提出了有缓冲区的 Channel 在执行收发操作时没有遵循 FIFO 的规则2

  • 发送方会向缓冲区中写入数据,然后唤醒接收方,多个接收方会尝试从缓冲区中读取数据,如果没有读取到就会重新陷入休眠;
  • 接收方会从缓冲区中读取数据,然后唤醒发送方,发送方会尝试向缓冲区写入数据,如果缓冲区已满就会重新陷入休眠;

这种基于重试的机制会导致 Channel 的处理不会遵循 FIFO 的原则。经过 runtime: simplify buffered channelsruntime: simplify chan ops, take 2 两个提交的修改,带缓冲区和不带缓冲区的 Channel 都会遵循先入先出对数据进行接收和发送3 4

无锁管道

锁是一种常见的并发控制技术,我们一般会将锁分成乐观锁和悲观锁,即乐观并发控制和悲观并发控制,无锁(lock-free)队列更准确的描述是使用乐观并发控制的队列。乐观并发控制也叫乐观锁,但是它并不是真正的锁,很多人都会误以为乐观锁是一种真正的锁,然而它只是一种并发控制的思想5

concurrency-control

乐观并发控制本质上是基于验证的协议,我们使用原子指令 CAS(compare-and-swap 或者 compare-and-set)在多线程中同步数据,无锁队列的实现也依赖这一原子指令。

Channel 在运行时的内部表示是 runtime.hchan,该结构体中包含了一个用于保护成员变量的互斥锁,从某种程度上说,Channel 是一个用于同步和通信的有锁队列。使用互斥锁解决程序中可能存在的线程竞争问题是很常见的,我们能很容易地实现有锁队列。

然而锁导致的休眠和唤醒会带来额外的上下文切换,如果临界区6过小,加锁解锁导致的额外开销就会成为性能瓶颈。1994 年的论文 Implementing lock-free queues 就研究了如何使用无锁的数据结构实现先进先出队列7,而 Go 语言社区也在 2014 年提出了无锁 Channel 的实现方案,该方案将 Channel 分成了以下三种类型8

  • 同步 Channel — 不需要缓冲区,发送方会直接将数据交给(Handoff)接收方;
  • 异步 Channel — 基于环形缓存的传统生产者消费者模型;
  • chan struct{} 类型的异步 Channel — struct{} 类型不占用内存空间,不需要实现缓冲区和直接发送(Handoff)的语义;

这个提案的目的也不是实现完全无锁的队列,只是在一些关键路径上通过无锁提升 Channel 的性能。社区中已经有无锁 Channel 的实现9,但是在实际的基准测试中,无锁队列在多核测试中的表现还需要进一步的改进10

因为目前通过 CAS 实现11的无锁 Channel 没有提供 FIFO 的特性,所以该提案暂时也被搁浅了12

数据结构

Go 语言的 Channel 在运行时使用 runtime.hchan 结构体表示。我们在 Go 语言中创建新的 Channel 时,实际上创建的都是如下所示的结构体:

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type hchan struct {
qcount uint
dataqsiz uint
buf unsafe.Pointer
elemsize uint16
closed uint32
elemtype *_type
sendx uint
recvx uint
recvq waitq
sendq waitq

lock mutex
}

runtime.hchan 结构体中的五个字段 qcountdataqsizbufsendxrecv 构建底层的循环队列:

  • qcount — Channel 中的元素个数;
  • dataqsiz — Channel 中的循环队列的长度;
  • buf — Channel 的缓冲区数据指针;
  • sendx — Channel 的发送操作处理到的位置;
  • recvx — Channel 的接收操作处理到的位置;

除此之外,elemsizeelemtype 分别表示当前 Channel 能够收发的元素类型和大小;sendqrecvq 存储了当前 Channel 由于缓冲区空间不足而阻塞的 Goroutine 列表,这些等待队列使用双向链表 runtime.waitq 表示,链表中所有的元素都是 runtime.sudog 结构:

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type waitq struct {
first *sudog
last *sudog
}

runtime.sudog 表示一个在等待列表中的 Goroutine,该结构体中存储了阻塞的相关信息以及两个分别指向前后 runtime.sudog 的指针。

创建管道

Go 语言中所有 Channel 的创建都会使用 make 关键字。编译器会将 make(chan int, 10) 表达式被转换成 OMAKE 类型的节点,并在类型检查阶段将 OMAKE 类型的节点转换成 OMAKECHAN 类型:

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func typecheck1(n *Node, top int) (res *Node) {
switch n.Op {
case OMAKE:
...
switch t.Etype {
case TCHAN:
l = nil
if i < len(args) { // 带缓冲区的异步 Channel
...
n.Left = l
} else { // 不带缓冲区的同步 Channel
n.Left = nodintconst(0)
}
n.Op = OMAKECHAN
}
}
}

这一阶段会对传入 make 关键字的缓冲区大小进行检查,如果我们不向 make 传递表示缓冲区大小的参数,那么就会设置一个默认值 0,也就是当前的 Channel 不存在缓冲区。

OMAKECHAN 类型的节点最终都会在 SSA 中间代码生成阶段之前被转换成调用 runtime.makechan 或者 runtime.makechan64 的函数:

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func walkexpr(n *Node, init *Nodes) *Node {
switch n.Op {
case OMAKECHAN:
size := n.Left
fnname := "makechan64"
argtype := types.Types[TINT64]

if size.Type.IsKind(TIDEAL) || maxintval[size.Type.Etype].Cmp(maxintval[TUINT]) <= 0 {
fnname = "makechan"
argtype = types.Types[TINT]
}
n = mkcall1(chanfn(fnname, 1, n.Type), n.Type, init, typename(n.Type), conv(size, argtype))
}
}

runtime.makechanruntime.makechan64 会根据传入的参数类型和缓冲区大小创建一个新的 Channel 结构,其中后者用于处理缓冲区大小大于 2 的 32 次方的情况,我们重点关注 runtime.makechan 函数:

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func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
elem := t.elem
mem, _ := math.MulUintptr(elem.size, uintptr(size))

var c *hchan
switch {
case mem == 0:
c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true))
c.buf = c.raceaddr()
case elem.kind&kindNoPointers != 0:
c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true))
c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)
default:
c = new(hchan)
c.buf = mallocgc(mem, elem, true)
}
c.elemsize = uint16(elem.size)
c.elemtype = elem
c.dataqsiz = uint(size)
return c
}

上述代码根据 Channel 中收发元素的类型和缓冲区的大小初始化 runtime.hchan 结构体和缓冲区:

  • 如果当前 Channel 中不存在缓冲区,那么就只会为 runtime.hchan 分配一段内存空间;
  • 如果当前 Channel 中存储的类型不是指针类型,就会为当前的 Channel 和底层的数组分配一块连续的内存空间;
  • 在默认情况下会单独为 runtime.hchan 和缓冲区分配内存;

在函数的最后会统一更新 runtime.hchanelemsizeelemtypedataqsiz 几个字段。

发送数据

当我们想要向 Channel 发送数据时,就需要使用 ch <- i 语句,编译器会将它解析成 OSEND 节点并在 cmd/compile/internal/gc.walkexpr 函数中转换成 runtime.chansend1

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func walkexpr(n *Node, init *Nodes) *Node {
switch n.Op {
case OSEND:
n1 := n.Right
n1 = assignconv(n1, n.Left.Type.Elem(), "chan send")
n1 = walkexpr(n1, init)
n1 = nod(OADDR, n1, nil)
n = mkcall1(chanfn("chansend1", 2, n.Left.Type), nil, init, n.Left, n1)
}
}

runtime.chansend1 只是调用了 runtime.chansend 并传入 Channel 和需要发送的数据。runtime.chansend 是向 Channel 中发送数据时最终会调用的函数,这个函数负责了发送数据的全部逻辑,如果我们在调用时将 block 参数设置成 true,那么就表示当前发送操作是一个阻塞操作:

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func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
lock(&c.lock)

if c.closed != 0 {
unlock(&c.lock)
panic(plainError("send on closed channel"))
}

在发送数据的逻辑执行之前会先为当前 Channel 加锁,防止发生竞争条件。如果 Channel 已经关闭,那么向该 Channel 发送数据时就会报"send on closed channel" 错误并中止程序。

因为 runtime.chansend 函数的实现比较复杂,所以我们这里将该函数的执行过程分成以下的三个部分:

  • 当存在等待的接收者时,通过 runtime.send 直接将数据发送给阻塞的接收者;
  • 当缓冲区存在空余空间时,将发送的数据写入 Channel 的缓冲区;
  • 当不存在缓冲区或者缓冲区已满时,等待其他 Goroutine 从 Channel 接收数据;

直接发送

如果目标 Channel 没有被关闭并且已经有处于读等待的 Goroutine,那么 runtime.chansend 函数会从接收队列 recvq 中取出最先陷入等待的 Goroutine 并直接向它发送数据:

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if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {
send(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
return true
}

下图展示了 Channel 中存在等待数据的 Goroutine 时,向 Channel 发送数据的过程:

直接发送数据的过程

发送数据时会调用 runtime.send,该函数的执行可以分成两个部分:

  1. 调用 runtime.sendDirect 函数将发送的数据直接拷贝到 x = <-c 表达式中变量 x 所在的内存地址上;
  2. 调用 runtime.goready 将等待接收数据的 Goroutine 标记成可运行状态 Grunnable 并把该 Goroutine 放到发送方所在的处理器的 runnext 上等待执行,该处理器在下一次调度时就会立刻唤醒数据的接收方;
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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)
goready(gp, skip+1)
}

需要注意的是,发送数据的过程只是将接收方的 Goroutine 放到了处理器的 runnext 中,程序没有立刻执行该 Goroutine。

缓冲区

如果创建的 Channel 包含缓冲区并且 Channel 中的数据没有装满,就会执行下面这段代码:

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func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
...
if c.qcount < c.dataqsiz {
qp := chanbuf(c, c.sendx)
typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)
c.sendx++
if c.sendx == c.dataqsiz {
c.sendx = 0
}
c.qcount++
unlock(&c.lock)
return true
}
...
}

在这里我们首先会使用 chanbuf 计算出下一个可以存储数据的位置,然后通过 runtime.typedmemmove 将发送的数据拷贝到缓冲区中并增加 sendx 索引和 qcount 计数器。

channel-buffer-send

图 6-21 向缓冲区写入数据

如果当前 Channel 的缓冲区未满,向 Channel 发送的数据会存储在 Channel 中 sendx 索引所在的位置并将 sendx 索引加一,由于这里的 buf 是一个循环数组,所以当 sendx 等于 dataqsiz 时就会重新回到数组开始的位置。

阻塞发送

当 Channel 没有接收者能够处理数据时,向 Channel 发送数据就会被下游阻塞,当然使用 select 关键字可以向 Channel 非阻塞地发送消息。向 Channel 阻塞地发送数据会执行下面的代码,我们可以简单梳理一下这段代码的逻辑:

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func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
...
if !block {
unlock(&c.lock)
return false
}

gp := getg()
mysg := acquireSudog()
mysg.elem = ep
mysg.g = gp
mysg.c = c
gp.waiting = mysg
c.sendq.enqueue(mysg)
goparkunlock(&c.lock, waitReasonChanSend, traceEvGoBlockSend, 3)

gp.waiting = nil
gp.param = nil
mysg.c = nil
releaseSudog(mysg)
return true
}
  1. 调用 runtime.getg 获取发送数据使用的 Goroutine;
  2. 执行 runtime.acquireSudog 函数获取 runtime.sudog 结构体并设置这一次阻塞发送的相关信息,例如发送的 Channel、是否在 Select 控制结构中和待发送数据的内存地址等;
  3. 将刚刚创建并初始化的 runtime.sudog 加入发送等待队列,并设置到当前 Goroutine 的 waiting 上,表示 Goroutine 正在等待该 sudog 准备就绪;
  4. 调用 runtime.goparkunlock 函数将当前的 Goroutine 陷入沉睡等待唤醒;
  5. 被调度器唤醒后会执行一些收尾工作,将一些属性置零并且释放 runtime.sudog 结构体;

在最后,函数会返回 true 表示这向 Channel 发送数据的结束。

小结

我们在这里可以简单梳理和总结一下使用 ch <- i 表达式向 Channel 发送数据时遇到的几种情况:

  1. 如果当前 Channel 的 recvq 上存在已经被阻塞的 Goroutine,那么会直接将数据发送给当前的 Goroutine 并将其设置成下一个运行的 Goroutine;
  2. 如果 Channel 存在缓冲区并且其中还有空闲的容量,我们就会直接将数据直接存储到当前缓冲区 sendx 所在的位置上;
  3. 如果不满足上面的两种情况,就会创建一个 runtime.sudog 结构并将其加入 Channel 的 sendq 队列中,当前 Goroutine 也会陷入阻塞等待其他的协程从 Channel 接收数据;

发送数据的过程中包含几个会触发 Goroutine 调度的时机:

  1. 发送数据时发现 Channel 上存在等待接收数据的 Goroutine,立刻设置处理器的 runnext 属性,但是并不会立刻触发调度;
  2. 发送数据时并没有找到接收方并且缓冲区已经满了,这时就会将自己加入 Channel 的 sendq 队列并调用 runtime.goparkunlock 触发 Goroutine 的调度让出处理器的使用权;

接收数据

我们接下来继续介绍 Channel 操作的另一方 — 数据的接收。Go 语言中可以使用两种不同的方式去接收 Channel 中的数据:

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i <- ch
i, ok <- ch

这两种不同的方法经过编译器的处理都会变成 ORECV 类型的节点,后者会在类型检查阶段被转换成 OAS2RECV 类型。数据的接收操作遵循以下的路线图:

channel-receive-node

图 6-22 Channel 接收操作的路线图

虽然不同的接收方式会被转换成 runtime.chanrecv1runtime.chanrecv2 两种不同函数的调用,但是这两个函数最终还是会调用 runtime.chanrecv

当我们从一个空 Channel 接收数据时会直接调用 runtime.gopark 直接让出处理器的使用权。

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func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
if c == nil {
if !block {
return
}
gopark(nil, nil, waitReasonChanReceiveNilChan, traceEvGoStop, 2)
throw("unreachable")
}

lock(&c.lock)

if c.closed != 0 && c.qcount == 0 {
unlock(&c.lock)
if ep != nil {
typedmemclr(c.elemtype, ep)
}
return true, false
}

如果当前 Channel 已经被关闭并且缓冲区中不存在任何的数据,那么就会清除 ep 指针中的数据并立刻返回。

除了上述两种特殊情况,使用 runtime.chanrecv 从 Channel 接收数据时还包含以下三种不同情况:

  • 当存在等待的发送者时,通过 runtime.recv 直接从阻塞的发送者或者缓冲区中获取数据;
  • 当缓冲区存在数据时,从 Channel 的缓冲区中接收数据;
  • 当缓冲区中不存在数据时,等待其他 Goroutine 向 Channel 发送数据;

直接接收

当 Channel 的 sendq 队列中包含处于等待状态的 Goroutine 时,该函数会取出队列头等待的 Goroutine,处理的逻辑和发送时相差无几,只是发送数据时调用的是 runtime.send 函数,而接收数据时使用 runtime.recv 函数:

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if sg := c.sendq.dequeue(); sg != nil {
recv(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
return true, true
}

runtime.recv 函数的实现比较复杂:

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func recv(c *hchan, sg *sudog, ep unsafe.Pointer, unlockf func(), skip int) {
if c.dataqsiz == 0 {
if ep != nil {
recvDirect(c.elemtype, sg, ep)
}
} else {
qp := chanbuf(c, c.recvx)
if ep != nil {
typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
}
typedmemmove(c.elemtype, qp, sg.elem)
c.recvx++
c.sendx = c.recvx // c.sendx = (c.sendx+1) % c.dataqsiz
}
gp := sg.g
gp.param = unsafe.Pointer(sg)
goready(gp, skip+1)
}

该函数会根据缓冲区的大小分别处理不同的情况:

  • 如果 Channel 不存在缓冲区;
    1. 调用 runtime.recvDirect 函数会将 Channel 发送队列中 Goroutine 存储的 elem 数据拷贝到目标内存地址中;
  • 如果 Channel 存在缓冲区;
    1. 将队列中的数据拷贝到接收方的内存地址;
    2. 将发送队列头的数据拷贝到缓冲区中,释放一个阻塞的发送方;

无论发生哪种情况,运行时都会调用 runtime.goready 函数将当前处理器的 runnext 设置成发送数据的 Goroutine,在调度器下一次调度时将阻塞的发送方唤醒。

channel-receive-from-sendq

图 6-23 从发送队列中获取数据

上图展示了 Channel 在缓冲区已经没有空间并且发送队列中存在等待的 Goroutine 时,运行 <-ch 的执行过程 — 发送队列头的 runtime.sudog 结构中的元素会替换接收索引 recvx 所在位置的元素,原有的元素会被拷贝到接收数据的变量的内存空间上。

缓冲区

当Channel 的缓冲区中已经包含数据时,从 Channel 中接收数据会直接从缓冲区中 recvx 的索引位置中取出数据进行处理:

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func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
...
if c.qcount > 0 {
qp := chanbuf(c, c.recvx)
if ep != nil {
typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
}
typedmemclr(c.elemtype, qp)
c.recvx++
if c.recvx == c.dataqsiz {
c.recvx = 0
}
c.qcount--
return true, true
}
...
}

如果接收数据的内存地址不为空,那么就会直接使用 runtime.typedmemmove 将缓冲区中的数据拷贝到内存中、清除队列中的数据并完成收尾工作。

channel-buffer-receive

图 6-24 从缓冲区中接接收数据

收尾工作包括递增 recvx,一旦发现索引超过了 Channel 的容量时,就会将它归零(循环队列);除此之外,这个函数还会减少 qcount 计数器并释放持有 Channel 的锁。

阻塞接收

当 Channel 的发送队列中不存在等待的 Goroutine 并且缓冲区中也不存在任何数据时,从管道中接收数据的操作会变成阻塞操作,然而不是所有的接收操作都是阻塞的,与 select 语句结合使用时就可能会使用到非阻塞的接收操作:

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func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
...
if !block {
unlock(&c.lock)
return false, false
}

gp := getg()
mysg := acquireSudog()
mysg.elem = ep
gp.waiting = mysg
mysg.g = gp
mysg.c = c
c.recvq.enqueue(mysg)
goparkunlock(&c.lock, waitReasonChanReceive, traceEvGoBlockRecv, 3)

gp.waiting = nil
closed := gp.param == nil
gp.param = nil
releaseSudog(mysg)
return true, !closed
}

在正常的接收场景中,我们会使用 runtime.sudog 结构体将当前 Goroutine 包装成一个处于等待状态的 Goroutine 并将其加入到接收队列中。

完成入队之后,上述代码还会调用 runtime.goparkunlock 函数立刻触发 Goroutine 的调度,让出处理器的使用权并等待调度器的调度。

小结

我们梳理一下从 Channel 中接收数据时可能会发生的五种情况:

  1. 如果 Channel 为空,那么就会直接调用 runtime.gopark 挂起当前 Goroutine;
  2. 如果 Channel 已经关闭并且缓冲区没有任何数据,runtime.chanrecv 函数会直接返回;
  3. 如果 Channel 的 sendq 队列中存在挂起的 Goroutine,就会将 recvx 索引所在的数据拷贝到接收变量所在的内存空间上并将 sendq 队列中 Goroutine 的数据拷贝到缓冲区;
  4. 如果 Channel 的缓冲区中包含数据就会直接读取 recvx 索引对应的数据;
  5. 在默认情况下会挂起当前的 Goroutine,将 runtime.sudog 结构加入 recvq 队列并陷入休眠等待调度器的唤醒;

我们总结一下从 Channel 接收数据时,会触发 Goroutine 调度的两个时机:

  1. 当 Channel 为空时;
  2. 当缓冲区中不存在数据并且也不存在数据的发送者时;

关闭管道

编译器会将用于关闭管道的 close 关键字转换成 OCLOSE 节点以及 runtime.closechan 的函数调用。

当 Channel 是一个空指针或者已经被关闭时,Go 语言运行时都会直接 panic 并抛出异常:

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

lock(&c.lock)
if c.closed != 0 {
unlock(&c.lock)
panic(plainError("close of closed channel"))
}

处理完了这些异常的情况之后就可以开始执行关闭 Channel 的逻辑了,下面这段代码的主要工作就是将 recvqsendq 两个队列中的数据加入到 Goroutine 列表 gList 中,与此同时该函数会清除所有 sudog 上未被处理的元素:

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	c.closed = 1

var glist gList
for {
sg := c.recvq.dequeue()
if sg == nil {
break
}
if sg.elem != nil {
typedmemclr(c.elemtype, sg.elem)
sg.elem = nil
}
gp := sg.g
gp.param = nil
glist.push(gp)
}

for {
sg := c.sendq.dequeue()
...
}
for !glist.empty() {
gp := glist.pop()
gp.schedlink = 0
goready(gp, 3)
}
}

该函数在最后会为所有被阻塞的 Goroutine 调用 runtime.goready 触发调度。

小结

Channel 是 Go 语言能够提供强大并发能力的原因之一,我们在这一节中分析了 Channel 的设计原理、数据结构以及发送数据、接收数据和关闭 Channel 这些基本操作,相信能够帮助大家更好地理解 Channel 的工作原理。

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