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channel
什么是channel#xff0c;为什么它可以做到线程安全
Go 的设计思想就是#xff1a;不要通过共享内存来通信#xff0c;而是通过通信来共享内存。 前者就是传统的加锁#xff0c;后者就是 channel。也即#xff0c;channel 的主要目的就是在多任务间传递…Go 基础
channel
什么是channel为什么它可以做到线程安全
Go 的设计思想就是不要通过共享内存来通信而是通过通信来共享内存。 前者就是传统的加锁后者就是 channel。也即channel 的主要目的就是在多任务间传递数据的本身就是安全的。
channel 是 Go 中的一个核心类型它可以看作是一个管道通过它并发核心单元就可以发送或者接收数据进行通讯。channel 也可以理解为一个先进先出队列通过管道进行通信发送一个数据到 channel 和从 channel 中接收一个数据都是原子性的
channel的生命周期状态有哪些
channel 存在 3 种状态
nil未初始化的状态只进行了声明或者手动赋值为 nilactive正常的 channel可以进行读写closed已关闭注意已关闭的 channel它的值也不是 nil
针对不同状态的 channel进行关闭发送数据以及接收数据会有不同的情况
操作一个零值 nil 通道一个非零值但已关闭通道一个非零值且未关闭通道关闭产生恐慌产生恐慌成功关闭发送数据永久阻塞产生恐慌阻塞或者成功发送接收数据永久阻塞永不阻塞会立即返回零值阻塞或者成功接收
channel 的类型
channel 通常有以下三种类型
同步 channel不需要缓冲区发送方会直接将数据交给接收方异步 channel基于环形缓存的传统生产者消费者模型chan struct{}这是专门用于协程间通信的标准信号因为 struct{} 不占用内存空间所以用的比较多
Goroutine 和 channel 的作用分别是什么
这里可以先简单说下进程、线程以及协程之间的关系。
进程是内存资源和 CPU 调度的执行单元。为了有效利用多核处理器的优势将进程进一步细分允许一个进程中存在多个线程这多个线程还是共享同一片内存空间但 CPU 调度的最小单元变成了线程。
而协程可以看作是轻量级线程。但是和线程不同的是线程的切换是由操作系统控制的而协程的切换是由用户控制的。
Go 中的 Goroutine 就是协程可以实现并行多个协程可以在多个处理器同时跑。而协程同一时刻只能在一个处理器上跑。多个 Goroutine 之间的通信就是通过 channel而协程的通信是通过 yield 和 resume() 操作。
在 Golang 中 channel 是 goroutinues 之间进⾏通信的渠道。
可以把 channel 形象⽐喻为⼯⼚⾥的传送带⼀头的⽣产者 goroutine 往传输带放东⻄另⼀头的消费者 goroutinue 则从输送带取东⻄。channel 实际上是⼀个有类型的消息队列,遵循先进先出的特点。
goroutine 的使用
只需要在函数的调用前面加 go 关键字就可以启动协程了
func main() {for i:1;i5;i {go func(i int) {fmt.Println(i)}(i)}// 停歇5s保证打印全部结束time.Sleep(5*time.Second)
}上面的代码中启动了 5 个 goroutine再加上 main 函数的主 goroutine一共 6 个 goroutine。由于 goroutine 类似于“守护线程”是异步执行的。如果主 goroutine 不等待程序可能就不会有打印输出了。
channel 的使用 channel 的操作符号 ch - data 表示 data 被发送给 channel ch data - ch 表示从 channel ch 取⼀个值然后赋给 data 阻塞式 channel channel 默认是没有缓冲区的也即通信是阻塞的。send 操作必须等到有消费者 accept 才算完成。 func main() {ch1 : make(chan int)go pump(ch1) // pump hangsfmt.Println(-ch1) // prints only 1
}func pump(ch chan int) {for i : 1; ; i {ch - i}
}在函数 pump() ⾥的 channel 在接受到第⼀个元素后就被阻塞了直到主 goroutinue 取⾛了数据。最终channel 阻塞在接受第⼆个元素程序只打印 1。 没有缓冲的 channel 只能容纳⼀个元素⽽带有缓冲 channel 则可以⾮阻塞容纳 N 个元素。发送数据到缓冲 channel 不会被阻塞除⾮channel已满同样的从缓冲 channel 取数据也不会被阻塞除⾮ channel 空了。
Go 中 channel 的实现
前文其实就一直有提到了channel 是 Go 中 goroutines 之间的信息传递媒介通过共享通信来实现共享内存。 goroutine 通过使⽤ channel 传递数据⼀个会向 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。
channel 的收发操作均遵循来先进先出的设计
先从 channel 读取数据的 goroutine 会先接收到数据先往 channel 发送数据的 goroutine 会得到先发送数据的权利
channel 在 runtime 中的具体实现
在 runtime.hchan 中定义了 channel
type hchan struct {qcount uint // 当前队列⾥还剩余元素个数dataqsiz uint // 环形队列⻓度即缓冲区的⼤⼩即make(chan T,N)中的Nbuf unsafe.Pointer // 环形队列指针elemsize uint16 // 每个元素的⼤⼩closed uint32 // 标识当前通道是否处于关闭状态创建通道后该字段设置0即打开通道通道调⽤close将其设置为1通道关闭elemtype *_type // 元素类型⽤于数据传递过程中的赋值sendx uint // 环形缓冲区的状态字段它只是缓冲区的当前索引-⽀持数组它可以从中发送数据recvx uint // 环形缓冲区的状态字段它只是缓冲区当前索引-⽀持数 组它可以从中接受数据recvq waitq // 等待读消息的goroutine队列sendq waitq // 等待写消息的goroutine队列// lock protects all fields in hchan, as well as several// fields in sudogs blocked on this channel.//// Do not change another Gs status while holding this lock// (in particular, do not ready a G), as this can deadlock// with stack shrinking.lock mutex // 互斥锁为每个读写操作锁定通道因为发送和接受必须是互斥操作
}
type waitq struct {first *sudoglast *sudog
}其中hchan 结构体中有五个字段是构建底层的循环队列
qcountchannel 中剩余元素的个数dataqsizchannel 中循环队列的长度bufchannel 的缓冲区数据指针sendxchannel 的发送操作处理到的位置recvxchannel 的接收操作处理到的位置
elemsize 和 elemtype 分别表示当前 channel 能够收发的元素类型和大小。
sendq 和 recvq 存储了当前 channel 由于缓冲区不足而阻塞的 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。
waitq 表示一个在等待队列中的 goroutine该结构体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 channel
runtime.makechan 和 runtime.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。
我们以 makechan 函数为例
func makechan(t *chantype, size int) *hchan {elem : t.elem// compiler checks this but be safe.if elem.size 116 {throw(makechan: invalid channel element type)}if hchanSize%maxAlign ! 0 || elem.align maxAlign {throw(makechan: bad alignment)}mem, overflow : math.MulUintptr(elem.size, uintptr(size))if overflow || mem maxAlloc-hchanSize || size 0 {panic(plainError(makechan: size out of range))}// Hchan does not contain pointers interesting for GC when elements stored in buf do not contain pointers.// buf points into the same allocation, elemtype is persistent.// SudoGs are referenced from their owning thread so they cant be collected.// TODO(dvyukov,rlh): Rethink when collector can move allocated objects.var c *hchanswitch {case mem 0:// Queue or element size is zero.c (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true))// Race detector uses this location for synchronization.c.buf c.raceaddr()case elem.ptrdata 0:// Elements do not contain pointers.// Allocate hchan and buf in one call.c (*hchan)(mallocgc(hchanSizemem, nil, true))c.buf add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)default:// Elements contain pointers.c new(hchan)c.buf mallocgc(mem, elem, true)}c.elemsize uint16(elem.size)c.elemtype elemc.dataqsiz uint(size)lockInit(c.lock, lockRankHchan)if debugChan {print(makechan: chan, c, ; elemsize, elem.size, ; dataqsiz, size, \n)}return c
}channel 中根据收发元素的类型和缓冲区的大小初始化 runtime.hchan 结构题和缓冲区 arena 区域就是我们所谓的堆区Go 动态分配的内存都是在这个区域它把内存分割成 8KB 大小的页一些页组合起来称为 mspan。
bitmap 区域标识 arena 区域哪些地址保存了对象并且用 4bit 标志位表示对象是否包含指针、GC 标记信息。bitmap 中一个 byte 大小的内存对应 arena 区域中 4 个指针大小指针大小为 8B的内存所以 bitmap 区域的大小是 512GB/(4*8B)16GB。 此外我们还可以看到 bitmap 的高地址部分指向 arena 区域的低地址部分这里 bitmap 的地址是由高地址向低地址增长的。
spans 区域存放 mspan是一些 arena 分割的页组合起来的内存管理基本单元的指针每个指针对应一页所以 spans 区域的大小就是 512GB/8KB*8B512MB。 除以 8KB 是计算 arena 区域的页数而最后乘以 8 是计算 spans 区域所有指针的大小。创建 mspan 的时候按页填充对应的 spans 区域在回收 object 时根据地址很容易就能找到它所属的 mspan。
