理解channel 工作原理以及源码

Posted 2020-10-09 张伯雨

Go 的并发特性 

• goroutines: 独立执行每个任务，并可能并行执行
• channels: 用于 goroutines 之间的通讯、同步
一个简单的事务处理的例子 
对于下面这样的非并发的程序：

func main() { tasks := getTasks() // 处理每个任务 for _, task := range tasks { process(task) } }

将其转换为 Go 的并发模式很容易，使用典型的 Task Queue 的模式：

func main() { // 创建带缓冲的 channel ch := make(chan Task, 3) // 运行固定数量的 workers for i := 0; i < numWorkers; i++ { go worker(ch) } // 发送任务到 workers hellaTasks := getTasks() for _, task := range hellaTasks { ch <- task } ... } func worker(ch chan Task) { for { // 接收任务 task := <-ch process(task) } } channels 的特性  goroutine-safe，多个 goroutine 可以同时访问一个 channel 而不会出现竞争问题 可以用于在 goroutine 之间存储和传递值 其语义是先入先出（FIFO） 可以导致 goroutine 的 block 和 unblock 解析  构造 channel  // 带缓冲的 channel ch := make(chan Task, 3) // 无缓冲的 channel ch := make(chan Tass) 回顾前面提到的 channel 的特性，特别是前两个。如果忽略内置的 channel，让你设计一个具有 goroutines-safe 并且可以用来存储、传递值的东西，你会怎么做？很多人可能觉得或许可以用一个带锁的队列来做。没错，事实上，channel 内部就是一个带锁的队列。 https://golang.org/src/runtime/chan.go type hchan struct { ... buf unsafe.Pointer // 指向一个环形队列 ... sendx uint // 发送 index recvx uint // 接收 index ... lock mutex // 互斥量 } buf 的具体实现很简单，就是一个环形队列的实现。sendx 和 recvx 分别用来记录发送、接收的位置。然后用一个 lock 互斥锁来确保无竞争冒险。 对于每一个 ch := make(chan Task, 3) 这类操作，都会在堆中，分配一个空间，建立并初始化一个 hchan 结构变量，而 ch 则是指向这个 hchan 结构的指针。 因为 ch 本身就是个指针，所以我们才可以在 goroutine 函数调用的时候直接将 ch 传递过去，而不用再 &ch 取指针了，所以所有使用同一个 ch 的 goroutine 都指向了同一个实际的内存空间。 发送、接收  为了方便描述，我们用 G1 表示 main() 函数的 goroutine，而 G2 表示 worker 的 goroutine。 // G1 func main() { ... for _, task := range tasks { ch <- task } ... } // G2 func worker(ch chan Task) { for { task :=<-ch process(task) } } 简单的发送、接收  那么 G1 中的 ch <- task0 具体是怎么做的呢？ 获取锁 enqueue(task0)（这里是内存复制 task0） 释放锁 这一步很简单，接下来看 G2 的 t := <- ch 是如何读取数据的。 获取锁 t = dequeue()（同样，这里也是内存复制） 释放锁 这一步也非常简单。但是我们从这个操作中可以看到，所有 goroutine 中共享的部分只有这个 hchan 的结构体，而所有通讯的数据都是内存复制。这遵循了 Go 并发设计中很核心的一个理念： “Do not communicate by sharing memory;instead, share memory by communicating.” 阻塞和恢复  发送方被阻塞  假设 G2 需要很长时间的处理，在此期间，G1 不断的发送任务： ch <- task1 ch <- task2 ch <- task3 但是当再一次 ch <- task4 的时候，由于 ch 的缓冲只有 3 个，所以没有地方放了，于是 G1 被 block 了，当有人从队列中取走一个 Task 的时候，G1 才会被恢复。这是我们都知道的，不过我们今天关心的不是发生了什么，而是如何做到的？ goroutine 的运行时调度  首先，goroutine 不是操作系统线程，而是用户空间线程。因此 goroutine 是由 Go runtime 来创建并管理的，而不是 OS，所以要比操作系统线程轻量级。 当然，goroutine 最终还是要运行于某个线程中的，控制 goroutine 如何运行于线程中的是 Go runtime 中的 scheduler （调度器）。 Go 的运行时调度器是 M:N 调度模型，既 N 个 goroutine，会运行于 M 个 OS 线程中。换句话说，一个 OS 线程中，可能会运行多个 goroutine。 Go 的 M:N 调度中使用了3个结构： M: OS 线程 G: goroutine P: 调度上下文 P 拥有一个运行队列，里面是所有可以运行的 goroutine 及其上下文 要想运行一个 goroutine - G，那么一个线程 M，就必须持有一个该 goroutine 的上下文 P。 goroutine 被阻塞的具体过程  那么当 ch <- task4 执行的时候，channel 中已经满了，需要pause G1。这个时候，： G1 会调用运行时的 gopark， 然后 Go 的运行时调度器就会接管 将 G1 的状态设置为 waiting 断开 G1 和 M 之间的关系（switch out)，因此 G1 脱离 M，换句话说，M 空闲了，可以安排别的任务了。 从 P 的运行队列中，取得一个可运行的 goroutine G 建立新的 G 和 M 的关系（Switch in)，因此 G 就准备好运行了。 当调度器返回的时候，新的 G 就开始运行了，而 G1 则不会运行，也就是 block 了。 从上面的流程中可以看到，对于 goroutine 来说，G1 被阻塞了，新的 G 开始运行了；而对于操作系统线程 M 来说，则根本没有被阻塞。 我们知道 OS 线程要比 goroutine 要沉重的多，因此这里尽量避免 OS 线程阻塞，可以提高性能。 goroutine 恢复执行的具体过程  前面理解了阻塞，那么接下来理解一下如何恢复运行。不过，在继续了解如何恢复之前，我们需要先进一步理解 hchan 这个结构。因为，当 channel 不在满的时候，调度器是如何知道该让哪个 goroutine 继续运行呢？而且 goroutine 又是如何知道该从哪取数据呢？ 在 hchan 中，除了之前提到的内容外，还定义有 sendq 和 recvq 两个队列，分别表示等待发送、接收的 goroutine，及其相关信息。 type hchan struct { ... buf unsafe.Pointer // 指向一个环形队列 ... sendq waitq // 等待发送的队列 recvq waitq // 等待接收的队列 ... lock mutex // 互斥量 } 其中 waitq 是一个链表结构的队列，每个元素是一个 sudog 的结构，其定义大致为： type sudog struct { g *g // 正在等候的 goroutine elem unsafe.Pointer // 指向需要接收、发送的元素 ... } https://golang.org/src/runtime/runtime2.go?h=sudog#L270 所以在之前的阻塞 G1 的过程中，实际上： G1 会给自己创建一个 sudog 的变量 然后追加到 sendq 的等候队列中，方便将来的 receiver 来使用这些信息恢复 G1。 这些都是发生在调用调度器之前。 那么现在开始看一下如何恢复。 当 G2 调用 t := <- ch 的时候，channel 的状态是，缓冲是满的，而且还有一个 G1 在等候发送队列里，然后 G2 执行下面的操作： G2 先执行 dequeue() 从缓冲队列中取得 task1 给 t G2 从 sendq 中弹出一个等候发送的 sudog 将弹出的 sudog 中的 elem 的值 enqueue() 到 buf 中 将弹出的 sudog 中的 goroutine，也就是 G1，状态从 waiting 改为 runnable 然后，G2 需要通知调度器 G1 已经可以进行调度了，因此调用 goready(G1)。 调度器将 G1 的状态改为 runnable 调度器将 G1 压入 P 的运行队列，因此在将来的某个时刻调度的时候，G1 就会开始恢复运行。 返回到 G2 注意，这里是由 G2 来负责将 G1 的 elem 压入 buf 的，这是一个优化。这样将来 G1 恢复运行后，就不必再次获取锁、enqueue()、释放锁了。这样就避免了多次锁的开销。 如果接收方先阻塞呢？  更酷的地方是接收方先阻塞的流程。 如果 G2 先执行了 t := <- ch，此时 buf 是空的，因此 G2 会被阻塞，他的流程是这样： G2 给自己创建一个 sudog 结构变量。其中 g 是自己，也就是 G2，而 elem 则指向 t 将这个 sudog 变量压入 recvq 等候接收队列 G2 需要告诉 goroutine，自己需要 pause 了，于是调用 gopark(G2) 和之前一样，调度器将其 G2 的状态改为 waiting 断开 G2 和 M 的关系 从 P 的运行队列中取出一个 goroutine 建立新的 goroutine 和 M 的关系 返回，开始继续运行新的 goroutine 这些应该已经不陌生了，那么当 G1 开始发送数据的时候，流程是什么样子的呢？ G1 可以将 enqueue(task)，然后调用 goready(G2)。不过，我们可以更聪明一些。 我们根据 hchan 结构的状态，已经知道 task 进入 buf 后，G2 恢复运行后，会读取其值，复制到 t 中。那么 G1 可以根本不走 buf，G1 可以直接把数据给 G2。 Goroutine 通常都有自己的栈，互相之间不会访问对方的栈内数据，除了 channel。这里，由于我们已经知道了 t 的地址（通过 elem指针），而且由于 G2 不在运行，所以我们可以很安全的直接赋值。当 G2 恢复运行的时候，既不需要再次获取锁，也不需要对 buf 进行操作。从而节约了内存复制、以及锁操作的开销。 总结  goroutine-safe hchan 中的 lock mutex 存储、传递值，FIFO 通过 hchan 中的环形缓冲区来实现 导致 goroutine 的阻塞和恢复 hchan 中的 sendq和recvq，也就是 sudog 结构的链表队列 调用运行时调度器 (gopark(), goready()) 其它 channel 的操作  无缓冲 channel  无缓冲的 channel 行为就和前面说的直接发送的例子一样： 接收方阻塞 → 发送方直接写入接收方的栈 发送方阻塞 → 接受法直接从发送方的 sudog 中读取 select  https://golang.org/src/runtime/select.go 先把所有需要操作的 channel 上锁 给自己创建一个 sudog，然后添加到所有 channel 的 sendq或recvq（取决于是发送还是接收） 把所有的 channel 解锁，然后 pause 当前调用 select 的 goroutine（gopark()） 然后当有任意一个 channel 可用时，select 的这个 goroutine 就会被调度执行。 resuming mirrors the pause sequence 为什么 Go 会这样设计？  Simplicity  更倾向于带锁的队列，而不是无锁的实现。 “性能提升不是凭空而来的，是随着复杂度增加而增加的。” - dvyokov 后者虽然性能可能会更好，但是这个优势，并不一定能够战胜随之而来的实现代码的复杂度所带来的劣势。 Performance  调用 Go 运行时调度器，这样可以保持 OS 线程不被阻塞 跨 goroutine 的栈读、写。 可以让 goroutine 醒来后不必获取锁 可以避免一些内存复制 当然，任何优势都会有其代价。这里的代价是实现的复杂度，所以这里有更复杂的内存管理机制、垃圾回收以及栈收缩机制。 在这里性能的提高优势，要比复杂度的提高带来的劣势要大。 所以在 channel 实现的各种代码中，我们都可以见到这种 simplicity vs performance 的权衡后的结果。 来源： https://blog.lab99.org/post/golang-2017-10-04-video-understanding-channels.html