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golang -- 认识channel底层结构

news 来源：原创 2025/6/27 17:53:39

channel

channel是golang中用来实现多个goroutine通信的管道（goroutine之间的通信机制），底层是一个叫做hchan的结构体，定义在runtime包中

type hchan struct {qcount   uint           // 循环数组中的元素个数（通道中元素个数）dataqsiz uint           // 循环数组的长度buf      unsafe.Pointer // 数组指针elemsize uint16          能够收发的元素的大小synctest bool // true if created in a synctest bubbleclosed   uint32        channel是否关闭的标志timer    *timer // timer feeding this chanelemtype *_type // element typesendx    uint   // 下一次发送数据的下标位置recvx    uint   // 下一次接收数据的下标位置recvq    waitq  // 读等待队列sendq    waitq  // 写等待队列// 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      //互斥锁，保证读写channel时不存在并发竞争问题
}

hchan结构体的组成部分主要有四个：

buf --> 保存goroutine之间传递数据的循环链表
sendx和recvx --> 记录循环链表当前发送或接收数据的下标值
sendq和recvq --> 保存向chan发送和从chan接受数据的goroutine的队列
lock --> 保证channel写入和读取数据时线程安全的锁

🔗有关channel的基本学习

select

select定义在runtime包中

在Linux系统下，select 是一种IO多路复用的解决方案，IO多路复用就是用一个线程处理多个IO请求。
在Golang中，select 是在一个goroutine协程监听多个channel（代表多个goroutine）的读写事件，提高从多个channel获取信息的效率

select的使用方法与switch相似，这是一个使用select 语句的例子

select {
case <- chan1://语句1
case chan2 <- 1://语句2
default://语句3
}

对上面这段代码的解释：

第一个case：如果成功接收到chan1中的数据，执行语句1
第二个case：如果成功发送数据到chan2，执行语句2
default：如果上面case都不满足，执行语句3

select底层是一个在runtime包中定义的 scase结构体

type scase struct {c    *hchan         // case中使用的chanelem unsafe.Pointer // 指向case包含的数据的指针
}

在case语句中（除default），包含的是对channel的读写操作，所以scase结构体中包含这两个要素：使用的channel 和指向数据的指针

select的几个规则

select中的多个case的表达式必须都是channel的读写操作，不能是其他的数据类型；
如果不满足任何case语句，同时没有default，那么当前的goroutine阻塞（没有case时，所在的goroutine永久阻塞，发生panic）
Go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，则发生panic
select中满足多个case，随机选择一个满足的case下的语句去执行
select 中只有一个case时（不是default），实际会被编译器转换为对该channel的读写操作，和实际调用data:=<-ch 或 ch<-data 没有什么区别
例如这样的一个代码

ch := make(chan struct{})
select {
case data <- ch:fmt.Printf("ch data: %v\n", data)
}

会被编译器转换为

data := <- ch
fmt.Printf("ch data: %v\n", data)

select 中有一个case + 一个 default

package main
import ("fmt"
)
func main() {ch := make(chan int)select {case ch <- 1:fmt.Println("case")default:fmt.Println("default")}
}

编译器会转换为

if selectnbsend(ch, 1) {fmt.Println("case")
} else {fmt.Println("default")
}

func selectnbsend(c *hchan, elem unsafe.Pointer) (selected bool) {return chansend(c, elem, false, getcallerpc())
}

**runtime.selectnbsend()**函数调用runtime.chansend()函数，传入这个函数的第三个参数是false，该参数是 block，为false代表非阻塞，即每次尝试从channel读写值，如果不成功则直接返回，不会阻塞。

锁与死锁

数据竞争

多个goroutine同时对一个变量进行处理时，会造成数据竞争，某个goroutine执行的结果可能会覆盖掉其他goroutine中的操作，导致结果与预期不符
比如这样一个代码

var (x int64wg sync.WaitGroup // 等待组
)// add 对全局变量x执行5000次加1操作
func add() {for i := 0; i < 5000; i++ {x = x + 1}wg.Done()
}func main() {wg.Add(2)go add()go add()wg.Wait()fmt.Println(x)
}

预期的结果时输出10000，但是每次执行都会输出不同的结果

要想程序正确执行，可以给goroutine上锁（这个例子中是互斥锁），从而保证同一时间只有一个goroutine可以访问共享资源。

Go语言中的锁分为两种：互斥锁和读写锁。

互斥锁

互斥锁只有一种锁，即sync.Mutex，是绝对锁，同一时刻一段代码只能被一个线程运行，使用方法Lock（加锁）和Unlock（解锁）即可实现

方法	功能
func lock(l *mutex)	获取互斥锁
func unlock(l *mutex)	获取互斥锁

上面代码使用互斥锁

var (x int64wg sync.WaitGroup // 等待组m sync.Mutex // 互斥锁
)// add 对全局变量x执行5000次加1操作
func add() {for i := 0; i < 5000; i++ {m.Lock() // 修改x前加锁x = x + 1m.Unlock() // 改完解锁}wg.Done()
}func main() {wg.Add(2)go add()go add()wg.Wait()fmt.Println(x)
}

输出

在Lock()和Unlock()之间的代码段称为资源的临界区(critical section)，临界区的代码是要执行的代码

使用互斥锁能够保证同一时间有且只有一个 goroutine 进入临界区，其他的 goroutine 则在等待；当互斥锁释放后，等待的 goroutine 才可以获取锁进入临界区
多个 goroutine 同时等待一个锁时，唤醒的策略是随机的

读写锁

互斥锁保证了同一时间一段代码只能被一个线程运行，但是当不涉及资源的修改，只是获取资源时，使用互斥锁就没必要了，这种场景下读写锁是种更好的选择

读写锁有两种锁，即读锁和写锁。

读锁（RLock），不是绝对锁，允许多个读者同时读取；
写锁（Lock），是绝对锁，同一时刻一段代码只能被一个线程运行

当已经有读锁时，还可以任意加读锁，不可以加写锁（直到读锁全部释放）
当已经有写锁时，不可以再加读锁，也不可以再加写锁

读写锁的方法

方法	功能
func (rw *RWMutex) RLock()	获取读锁
func (rw *RWMutex) RUnlock()	释放读锁
func (rw *RWMutex) Lock()	获取写锁
func (rw *RWMutex) Unlock()	释放写锁
func (rw *RWMutex) RLocker() Locker	返回一个实现Locker接口的读写锁

读写锁的优点：
使用读写互斥锁在读多写少的场景下能够极大地提高程序的性能

注：对于锁而言，不应该将其作为值传递和存储，应该使用指针

死锁

当两个或两个以上的进程在执行过程中，因争夺资源而处理一种互相等待的状态，如果没有外部干涉无法继续下去，这时我们称系统处于死锁或产生了死锁。

死锁主要有以下几种场景。

Lock/Unlock不是成对出现时

没有成对出现容易会出现死锁的情况
例如下面只有Unlock 没有Lock 的情况

var m sync.Mutex        //锁
var wait sync.WaitGroup //等待组变量func hello() {fmt.Println("hello")
}
func main() {hello()m.Unlock()
}

报错
go fatal error: sync: unlock of unlocked mutex

使用defer ，使 lock 和unlock 紧凑出现可以增加容错

m.Lock()
defer m.Unlock()

锁被拷贝使用

func main(){m.Lock()defer m.Unlock()copyTest(m)
}func copyTest(m sync.Mutex) {  //值传递m.Lock()   //defer m.Unlock()fmt.Println("ok")
}

在函数外，加了一个Lock，在拷贝的时候又执行了一次Lock，这时候发生堵塞，而函数外层的Unlock也无法执行，所以永远获得不了这个锁，这时候就发生了死锁

交叉锁

下面这样一段代码

func main() {var mA, mB sync.Mutexvar wg sync.WaitGroupwg.Add(2)go func() {defer wg.Done()mA.Lock()defer mA.Unlock()mB.Lock()defer mB.Lock()}()go func() {defer wg.Done()mB.Lock()defer mB.Lock()mA.Lock()defer mA.Unlock()}()wg.Wait()
}

执行后
go fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

执行过程：
goroutine1获取mA
goroutine2获取mB
goroutine1尝试获取mB，但是已经被goroutine2获取，等待mB释放
goroutine2尝试获取mA，但是已经被goroutine1获取，等待mA释放
两者都在等对方释放锁，形成死锁

channel

select

锁与死锁

数据竞争

互斥锁

读写锁

死锁

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