【Go笔记】通道与协程间通信

CSP并发编程

• CSP (Communicating Sequential Process，通信顺序进程) - 用于描述鬓发系统中交互模式的形式化语言，通过通道来传递信息
• 进程之间通过消息传递来进行通信，而不是通过共享内存，各进程独立运行，只有在通信点，也就是channel上进行同步和数据交换
• 通信通常是同步的，只有发送方和接收方都做好准备了才会进行数据交换，因此会堵塞
• 避免了共享内存的数据竞争和锁问题
• 天然支持高并发和分布式
• 方便设计和推理验证工程设计

通道的基本使用方式

• 使用箭头<-代表数据流通方向，可以流入通道也可以从通道流出
• 使用var {name} chan T来定义通道及其传输的数据类型
• 通道的表示形式有三种，chan T, chan <- T, <- chan T，分别代表可读写，只写和只读
• 未被初始化的通道是nil，使用make()来初始化通道
• 对于无缓冲通道，能够向通道写入数据的前提是有另外一个协程在读取通道，否则当前协程会进入休眠状态，直到成功写入，即同步堵塞
• 读取也是一样，如果一个通道没有数据流出，就会将当前协程堵塞，进入休眠状态，直到通道有数据出来。有两种方式data := <-c和data, ok := <-c，后者表示通道读取完毕后是否被关闭
• 关闭通道用内置的close(c)函数就可以了，可以向未初始化的通道写入数据，虽然无效；但是不能向已经关闭了的通道写入数据。
• 通道关闭的时候，堵塞在读取通道处的语句会自动解除堵塞并获取该通道的默认零值
• 不能重复关闭通道，也不能关闭未被初始化的通道。
• 事实上，也并不需要关心是否所有通道都被关闭了，gc会自动关闭回收未被引用的通道
• 通道是Go中的引用类型而不是值类型，因此传递到其他协程中的通道实际引用了同一个通道
• 如果使用for n := c {...}这样的循环来遍历通道的话，for循环会等到c关闭才会退出
• 普通通道可以隐形转换为单向通道，反之不可

select多路复用

• 当多个通道同时准备好的时候，select会随机选择一个case来执行
• 如果没有任何一个通道准备好，select就会堵塞，永远陷入等待。此时可以加上default来应对所有通道都没有准备好而堵塞的情况，也可以使用time.After(...)，这会定时发送一个信号，以此完成超时控制
• 可以将for与select结合来重复执行select，再使用time.Tick(...)来设定一个间隔任务
• 由于nil通道无论如何都会被堵塞，所以该case永远不会被执行，但最好不要把通道设置为nil，因为这是不可逆操作

通道底层原理

¶初始化

type hchan struct {
	qcount uint // 通道队列数据个数
	dataqsiz uint // 数据大小
	buf unsafe.Pointer // 存放实际数据的指针
	elemsize uint16 // 通道数据类型大小
	closed uint32 // 是否关闭
	elemtype *_type // 通道类型
	sendx uint // 发送者在buf中的编号
	recvx uint // 接收者在buf中的编号
	sendq waitq // 写入的阻塞协程队列
	recvq waitq // 读取的堵塞协程队列
	lock mutex // 锁
}

• buf中的数据虽然是线性的结构，但是通过数组和需要recvx, sendx可以模拟出环形结构以重复利用空间
• 初始化时，分配大小为0时，只分配hchan结构体大小；元素不包含指针时，连续分配hchan与size元素大小；包含指针时，单独分配内存空间，以进行正常gc

¶写入

• 会调用runtime/chan.go里面的chansend执行
• 分为三种情况：有正在等待的读取协程，缓冲区有空余，缓冲区无空余
• 有正在等待的读取协程 - 准备获取的协程会被放在recvq的队列里面，直接取出第一个然后将元素复制到对应的协程中，然后再唤醒
• 缓冲区有空余 - 如果没有整下等待的协程，但是有缓冲区且没有满，那就写到缓冲区buf里面
• 缓冲区无空余 - 如果无缓冲区或者满了，那就把发送的协程丢到sendq的末尾然后让它休眠，等待唤醒

¶读取

• 调用了chanrecv函数，与写入的原理非常类似，依然是三种情况
• 有正在等待的写入协程 - 直接从sendq里面获取第一个写入协程，然后将正在写入的元素直接复制到当前协程中，当前协程不需要休眠
• 缓冲区有元素 - 如果没有写入协程，但是有缓冲区且有数据，那就直接读取缓冲区的数据
• 缓冲区无数据 - 如果没有缓冲区或者里头没有数据，那就直接丢到recvq末尾等待被唤醒

select底层原理

• 只有一个通道的时候，编译器会直接优化成普通等待操作
• 每一个case都对应一个结构体

type scase struct {
	c *hchan // 通道
	elem unsafe.Pointer // 通道元素类型
	kind uint16 // scase的类型
	...
}

• scase有四种类型，分别为caseNil, caseRecv, caseSend和caseDefault，分别代表分支通道为nil，分支从通道接受信息，分支从通道发送信息，default分支，每种通道会有不同的行为
• 首先通过pollorder和lockorder处理序列，前者类似于洗牌算法，保证随机性；后者按照地址大小对通道地址排序，便于对通道一次加锁，避免多个协程并发加锁的时候的死锁问题
• 随后进入一轮循环，主要找出是否有准备好的分支，有就执行，没有就看有咩有default，有就执行
• 当一轮循环完成且不能退出时，意味着需要进入休眠状态并等待通道。此时进入二轮循环，读取和写入通道都要创建一个新的sudog并放到对应通道的等待队列，然后开始休眠。当有任意通道不堵塞了，协程将被唤醒。需要将sudog结构体在其他通道的等待队列中出栈，因为已经被唤醒了。