字节二面：你怎么理解信道是golang中的顶级公民
1. 信道是golang中的顶级公民
goroutine结合信道channel是golang中实现并发编程的标配。
信道给出了一种不同于
传统共享内存并发通信
的新思路，以一种
通道复制
的思想解耦了并发编程的各个参与方。
信道分为两种： 无缓冲和有缓冲信道（先入先出）。
分别用于goroutine同步和异步生产消费：
无缓冲信道： 若没有反向的goroutine在做动作， 当前goroutine会阻塞；
有缓冲信道： goroutine 直接面对的是缓冲队列， 队列满则写阻塞， 队列空则读阻塞。
一个陷阱： 信道被关闭后， 原来的goroutine阻塞状态不会维系， 能从信道读取到零值。
for range可以用于信道 :
一直从指定信道中
读
值， 没有数据会阻塞， 直到信道关闭会自动退出循环。
var ch chan int = make(chan int, 10)
go func() {
for i := 0; i < 20; i++ {
ch <- i
}
close(ch)
}()
time.Sleep(time.Second * 2)
for ele := range ch {
fmt.Println(ele)
}
output: 0,1,2,3,4...19
上面的示例描述了信道4个阶段：
写完10个数据(阻塞写)、暂停2s、
读取10个数据（解除阻塞写）、读完20个数据、关闭信道。
2. 信道channel实现思路大盘点
channel是指向
hchan
结构体的指针.
type hchan struct {
qcount uint // 队列中已有的缓存元素的数量
dataqsiz uint // 环形队列的容量
buf unsafe.Pointer // 环形队列的地址
elemsize uint16
closed uint32 // 标记是否关闭，初始化为0，一旦close(ch)为1
elemtype *_type // 元素类型
sendx uint // 待发送的元素索引
recvx uint // 待接受元素索引
recvq waitq // 阻塞等待的读goroutine队列
sendq waitq // 阻塞等待的写gotoutine队列
// lock protects all fields in hchan, as well as several
// fields in sudogs blocked on this channel.
//
// Do not change another G's status while holding this lock
// (in particular, do not ready a G), as this can deadlock
// with stack shrinking.
lock mutex
}
type waitq struct {
first *sudog
last *sudog
}
2.1 静态全局解读
两个核心的结构
① 环形队列
buf
（buf、dataqsize、sendx、recvx 圈定了一个有固定长度，由读/写指针控制队列数据的环形队列），从这看出队列是以链表实现。
② 存放阻塞写G和阻塞读G的队列
sendq
，
recvq
,
recvq、sendq存放的不是当前通信的goroutine
， 而是
因读写信道而阻塞的goroutine
:
- 如果 qcount <dataqsiz（队列未满），sendq就为空（写就不会阻塞）；
- 如果 qcount > 0 (队列不为空)，recvq就为空（读就不会阻塞）。
一旦解除阻塞，读/写动作会给到先进入阻塞队列的goroutine，也就是 recvq、sendq也是先进先出。
2.2 动态解读demo
以第一部分的demo为例：
第一阶段： 写入0到9这个10个元素
- goroutine在写数据之后会获取锁，以确保安全地修改信道底层的
hchan
结构体； - 向环形队列
buf
入队enqueue元素，实际是将原始数据拷贝进环形队列
buf
的待插入位置
sendx
； - 入队操作完成，释放锁。
第二阶段：信道满，写阻塞（写goroutine会停止，并等待读操作唤醒）
① 基于
写goroutine
创建
sudog
, 并将其放进
sendq队列
中；
② 调用
gopark
函数，让调度器P终止该goroutine执行。
调度器P将该goroutine状态改为
waiting
， 并从调度器P挂载的
runQueue
中移除，调度器P重新出队一个G交给OS线程来执行，这就是上下文切换，G被阻塞了而不是OS线程。
读goroutine
开始被调度执行：
第三阶段： 读前10个元素（解除写阻塞)
- for range chan： 读goroutine从
buf
中出队元素: 将信道元素拷贝到目标接收区； - 写goroutine从
sendq
中出队，因为现在信道不满，写不会阻塞； - 调度器P调用
goready
， 将写goroutine状态变为
runnable
，并移入runQueue。
下面的源码截取自
chansend()
，
体现了写信道--> 写阻塞---> 被唤醒的过程
// 这一部分是写数据， 从这里也可以看出是点对点的覆写，原buf内队列元素不用移动， 只用关注sendx
if c.qcount < c.dataqsiz { // 信道未满，则写不会阻塞=>senq为空
qp := chanbuf(c, c.sendx) // chanbuf(c, i) 返回的是信道buf中待插入的位置指针
typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)
c.sendx++
if c.sendx == c.dataqsiz {
c.sendx = 0
}
c.qcount++
return true
}
if !block { // 用于select case结构中，不阻塞select case的选择逻辑
unlock(&c.lock)
return false
}
// 这二部分是： 构建sudog，放进写阻塞队列，阻塞当前写gooroutine的执行
// Block on the channel. Some receiver will complete our operation for us.
gp := getg() // 获取当前的goroutine https://go.dev/src/runtime/HACKING
mysg := acquireSudog() // sudog是等待队列sendq中的元素，封装了goroutine
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
c.sendq.enqueue(mysg) // 当前goroutine压栈sendq
// Signal to anyone trying to shrink our stack that we're about
// to park on a channel. The window between when this G's status
// changes and when we set gp.activeStackChans is not safe for
// stack shrinking.
gp.parkingOnChan.Store(true)
reason := waitReasonChanSend
gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), reason, traceBlockChanSend, 2) // 这里是阻塞函数
KeepAlive(ep)
// 这三部分： 调度器唤醒了当前goroutine
// someone woke us up.
if mysg != gp.waiting {
throw("G waiting list is corrupted")
}
gp.waiting = nil
gp.activeStackChans = false
closed := !mysg.success
gp.param = nil
if mysg.releasetime > 0 {
blockevent(mysg.releasetime-t0, 2)
}
mysg.c = nil
releaseSudog(mysg)
if closed { // 已经关闭了，再写数据会panic
if c.closed == 0 {
throw("chansend: spurious wakeup")
}
panic(plainError("send on closed channel"))
}
return true
其中：
①
getg
获取当前的goroutine，sudog是goroutine的封装，表征一个因读写信道而阻塞的G，
②
typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)
: 写数据到信道buf，由两个指针来完成拷贝覆写。
// typedmemmove copies a value of type typ to dst from src.
func typedmemmove(typ *abi.Type, dst, src unsafe.Pointer) {
if dst == src {
return
}
if writeBarrier.enabled && typ.Pointers() {
// This always copies a full value of type typ so it's safe
// to pass typ along as an optimization. See the comment on
// bulkBarrierPreWrite.
bulkBarrierPreWrite(uintptr(dst), uintptr(src), typ.PtrBytes, typ)
}
// There's a race here: if some other goroutine can write to
// src, it may change some pointer in src after we've
// performed the write barrier but before we perform the
// memory copy. This safe because the write performed by that
// other goroutine must also be accompanied by a write
// barrier, so at worst we've unnecessarily greyed the old
// pointer that was in src.
memmove(dst, src, typ.Size_)
if goexperiment.CgoCheck2 {
cgoCheckMemmove2(typ, dst, src, 0, typ.Size_)
}
}
③ 我们看上面源码的第三部分， 唤醒了阻塞的
写goroutine
， 但是这里貌似没有将写goroutine携带的值传递给信道或对端。
实际上这个行为是在
recv
函数内。
跟一下接收方：读第一个元素，刚解除写阻塞的源码：
// 发现sendq有阻塞的写G，则读取，并使用该写G携带的数据填充数据
// Just found waiting sender with not closed.
if sg := c.sendq.dequeue(); sg != nil {
// Found a waiting sender. If buffer is size 0, receive value
// directly from sender. Otherwise, receive from head of queue
// and add sender's value to the tail of the queue (both map to
// the same buffer slot because the queue is full).
recv(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
return true, true
}
if c.qcount > 0 { // 如果sendq队里没有阻塞G， 则直接从队列中读值
// Receive directly from queue
}
---
{
// 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.
qp := chanbuf(c, c.recvx) // 拿到buf中待接受元素指针
if raceenabled {
racenotify(c, c.recvx, nil)
racenotify(c, c.recvx, sg)
}
// copy data from queue to receiver
if ep != nil {
typedmemmove(c.elemtype, ep, qp) // 将buf中待接收元素qp拷贝到目标指针ep
}
// copy data from sender to queue
typedmemmove(c.elemtype, qp, sg.elem) // 将阻塞sendq队列中出站的sudog携带的值写入到待插入指针。
c.recvx++
if c.recvx == c.dataqsiz {
c.recvx = 0
}
c.sendx = c.recvx // c.sendx = (c.sendx+1) % c.dataqsiz
}
从上线源码可以验证：
①
读goroutine
读取第一个元素之前，信道满，此时sendx=recvx，也即信道内读写指针指向同一个槽位；
② 读取第一个元素，解除写阻塞：
sendq
写G队列会出队第一个sudog， 将其携带的元素填充进
buf
待插入指针
sendx
，因为此时sendx=recvx，故第二次
typedmemmove(c.elemtype, qp, sg.elem)
是合理的。
如果sendq队列没有阻塞G， 则直接从buf中读取值。
3. 不要使用共享内存来通信，而是使用通信来共享内存
常见的后端java C#标配使用共享内存来通信， 比如 mutex、lock 关键词:
通过对一块共有的区域做属性变更来反映系统当前的状态，详细的请搜索
同步索引块
。
golang 推荐使用通信来共享内存， 这个是怎么理解的呢？
你要想使用某块内存数据， 并不是直接共享给你， 而是给你一个信道作为访问的接口， 并且你得到的是目标数据的拷贝，由此形成的信道访问为通信方式；
而原始的目标数据的生命周期由产生这个数据的G来决定， 它甚至不用care自己是不是要被其他G获知，因此体现了解耦并发编程参与方的作用。
https://medium.com/womenintechnology/exploring-the-internals-of-channels-in-go-f01ac6e884dc
4. 信道的实践指南
4.1 无缓冲信道
结合了通信（值交换）和同步。
c := make(chan int) // Allocate a channel.
// Start the sort in a goroutine; when it completes, signal on the channel.
go func() {
list.Sort()
c <- 1 // Send a signal; value does not matter.
}()
doSomethingForAWhile()
<-c // Wait for sort to finish; discard sent value.
4.2 有缓冲信道
基础实践： 信号量、限流能力
下面演示了：服务端使用有缓冲信道限制并发请求
var sem = make(chan int, MaxOutstanding)
func Serve(queue chan *Request) {
for req := range queue {
req:= req
sem <- 1
go func() { // 只会开启MaxOutstanding个并发协程
process(req)
<-sem
}()
}
}
上面出现了两个信道：
①
sem
提供了限制服务端并发处理请求的信号量
②
queue
提供了一个客户端请求队列，起媒介/解耦的作用
解多路复用
多路复用是网络编程中一个耳熟能详的概念，nginx redis等高性能web、内存kv都用到了这个技术 。
这个
解多路复用
是怎么理解呢？
我们针对上面的服务端，编写客户端请求， 独立的客户端请求被服务端Serve收敛之后， Serve就起到了多路复用的概念，在
Request
定义
resultChan信道
，就给每个客户端请求提供了独立获取请求结果的能力， 这便是一种解多路复用。
type Request struct {
args []int
f func([]int) int
resultChan chan int
}
request := &Request{[]int{3, 4, 5}, nil, make(chan int)}
func SendReq(req *Request）{
// Send request
clientRequests <- request
// Wait for response.
fmt.Printf("answer: %d\n", <-request.resultChan)
}
在服务端，定义handler,返回响应结果
// 定义在服务端的处理handler
func sum(a []int) (s int) {
for _, v := range a {
s += v
}
return
}
func process(req *Request) {
req.f = sum
req.resultChan <- req.f(req.args)
}
基于cpu的并行编程
如果计算可被划分为独立的（不相互依赖的）计算分片，则可以利用信道开启CPU的并行编程能力。
var numCPU = runtime.NumCPU() // number of CPU cores
func (v Vector) DoAll(u Vector) {
c := make(chan int, numCPU) // Buffering optional but sensible.
for i := 0; i < numCPU; i++ {
go v.DoSome(i*len(v)/numCPU, (i+1)*len(v)/numCPU, u, c)
}
for i := 0; i < numCPU; i++ {
<-c // wait for one task to complete
}
// All done.
}
全文复盘
本文整体视角讲述了Golang信道的用法、信道的静态结构(通过这个静态结构读者可以盲猜一二)；
通过一个动态示例（G和信道的交互行为）解剖了信道在阻塞前后的状态变化；
最后给出了信道的常规实践， 解读了一些常规姿势的上层思路来源。