Go语言 Select 实现原理

Posted 2021-12-06 张志翔ۤ

一、select简介

        1、Go的select语句是一种仅能用于channl发送和接收消息的专用语句，此语句运行期间是阻塞的；当select中没有case语句的时候，会阻塞当前groutine。

        2、select是Golang在语言层面提供的I/O多路复用的机制，其专门用来检测多个channel是否准备完毕：可读或可写。

        3、select语句中除default外，每个case操作一个channel，要么读要么写

        4、select语句中除default外，各case执行顺序是随机的

        5、select语句中如果没有default语句，则会阻塞等待任一case

        6、select语句中读操作要判断是否成功读取，关闭的channel也可以读取

二、用法例子

         实例一：select语句中除default外，各case执行顺序是随机的

package main
 
import (
    "fmt"
    "time"
)
 
func main() {
    chan1 := make(chan int)
    chan2 := make(chan int)
 
    go func() {
        chan1 <- 1
        time.Sleep(5 * time.Second)
    }()
 
    go func() {
        chan2 <- 1
        time.Sleep(5 * time.Second)
    }()
 
    select {
    case <-chan1:
        fmt.Println("chan1 ready.")
    case <-chan2:
        fmt.Println("chan2 ready.")
    default:
        fmt.Println("default")
    }
 
    fmt.Println("main exit.")
}

        程序中声明两个channel，分别为chan1和chan2，依次启动两个协程，分别向两个channel中写入一个数据就进入睡眠。select语句两个case分别检测chan1和chan2是否可读，如果都不可读则执行default语句。

        select中各个case执行顺序是随机的，如果某个case中的channel已经ready，则执行相应的语句并退出select流程，如果所有case中的channel都未ready，则执行default中的语句然后退出select流程。另外，由于启动的协程和select语句并不能保证执行顺序，所以也有可能select执行时协程还未向channel中写入数据，所以select直接执行default语句并退出。所以，以下三种输出都有可能：

        可能的输出一：

chan1 ready.
main exit.

        可能的输出二：

chan2 ready.
main exit.

        可能的输出三：

default
main exit.

        实例二：select语句中如果没有default语句，则会阻塞等待任一case

package main
 
import (
    "fmt"
    "time"
)
 
func main() {
    chan1 := make(chan int)
    chan2 := make(chan int)
 
    writeFlag := false
    go func() {
        for {
            if writeFlag {
                chan1 <- 1
            }
            time.Sleep(time.Second)
        }
    }()
 
    go func() {
        for {
            if writeFlag {
                chan2 <- 1
            }
            time.Sleep(time.Second)
        }
    }()
 
    select {
    case <-chan1:
        fmt.Println("chan1 ready.")
    case <-chan2:
        fmt.Println("chan2 ready.")
    }
 
    fmt.Println("main exit.")
}

        程序中声明两个channel，分别为chan1和chan2，依次启动两个协程，协程会判断一个bool类型的变量writeFlag来决定是否要向channel中写入数据，由于writeFlag永远为false，所以实际上协程什么也没做。select语句两个case分别检测chan1和chan2是否可读，这个select语句不包含default语句。

        select会按照随机的顺序检测各case语句中channel是否ready，如果某个case中的channel已经ready则执行相应的case语句然后退出select流程，如果所有的channel都未ready且没有default的话，则会阻塞等待各个channel。所以上述程序会一直阻塞。

        实例三：select语句中读操作要判断是否成功读取，关闭的channel也可以读取

package main
 
import (
    "fmt"
)
 
func main() {
    chan1 := make(chan int)
    chan2 := make(chan int)
 
    go func() {
        close(chan1)
    }()
 
    go func() {
        close(chan2)
    }()
 
    select {
    case <-chan1:
        fmt.Println("chan1 ready.")
    case <-chan2:
        fmt.Println("chan2 ready.")
    }
 
    fmt.Println("main exit.")
}

        实例四：

package main
 
func main() {
    select {
    }
}

        上面程序中只有一个空的select语句。

        对于空的select语句，程序会被阻塞，准确的说是当前协程被阻塞，同时Golang自带死锁检测机制，当发现当前协程再也没有机会被唤醒时，则会panic。所以上述程序会panic。

三、select实现原理

        Golang实现select时，定义了一个数据结构表示每个case语句(含defaut，default实际上是一种特殊的case)，select执行过程可以类比成一个函数，函数输入case数组，输出选中的case，然后程序流程转到选中的case块。

        源码包src/runtime/select.go:scase定义了表示case语句的数据结构：

type scase struct {
    c           *hchan         // chan
    kind        uint16
    elem        unsafe.Pointer // data element
}

        scase.c为当前case语句所操作的channel指针，这也说明了一个case语句只能操作一个channel。

        scase.kind表示该case的类型，分为读channel、写channel和default，三种类型分别由常量定义：

• caseRecv：case语句中尝试读取scase.c中的数据；
• caseSend：case语句中尝试向scase.c中写入数据；
• caseDefault： default语句

        scase.elem表示缓冲区地址，跟据scase.kind不同，有不同的用途：

• scase.kind == caseRecv ： scase.elem表示读出channel的数据存放地址；
• scase.kind == caseSend ： scase.elem表示将要写入channel的数据存放地址；

        select实现逻辑

        源码包src/runtime/select.go:selectgo()定义了select选择case的函数：

func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, ncases int) (int, bool)

        函数参数：

• cas0为scase数组的首地址，selectgo()就是从这些scase中找出一个返回。
• order0为一个两倍cas0数组长度的buffer，保存scase随机序列pollorder和scase中channel地址序列lockorder
  • pollorder：每次selectgo执行都会把scase序列打乱，以达到随机检测case的目的。
  • lockorder：所有case语句中channel序列，以达到去重防止对channel加锁时重复加锁的目的。
• ncases表示scase数组的长度

        函数返回值：

1. int： 选中case的编号，这个case编号跟代码一致
2. bool: 是否成功从channle中读取了数据，如果选中的case是从channel中读数据，则该返回值表示是否读取成功。

        selectgo实现伪代码如下：

func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, ncases int) (int, bool) {
    //1. 锁定scase语句中所有的channel
    //2. 按照随机顺序检测scase中的channel是否ready
    //   2.1 如果case可读，则读取channel中数据，解锁所有的channel，然后返回(case index, true)
    //   2.2 如果case可写，则将数据写入channel，解锁所有的channel，然后返回(case index, false)
    //   2.3 所有case都未ready，则解锁所有的channel，然后返回（default index, false）
    //3. 所有case都未ready，且没有default语句
    //   3.1 将当前协程加入到所有channel的等待队列
    //   3.2 当将协程转入阻塞，等待被唤醒
    //4. 唤醒后返回channel对应的case index
    //   4.1 如果是读操作，解锁所有的channel，然后返回(case index, true)
    //   4.2 如果是写操作，解锁所有的channel，然后返回(case index, false)
}

        注：对于读channel的case来说，如case elem, ok := <-chan1:, 如果channel有可能被其他协程关闭的情况下，一定要检测读取是否成功，因为close的channel也有可能返回，此时ok == false。select 不仅可以用于检测channel的数据写状态，还能监听读状态，利用这个特性，我们可以防止在没有go协程读channel时一直阻塞