走进Golang之Channel的数据结构

上篇文章讲了 channel 的基本使用，讲了一些使用时需要注意的事项，本文将重点介绍 channel 中的两个数据结构：循环队列 与 双端链表 。

channel 的需求描述

为了理解这些数据结构解决了什么问题，我们先来做个简单的回顾，看看为什么需要这两个数据结构，他们解决了什么问题。我们知道 goroutine 是用户态的线程，不同的 goroutine 之间是有消息传递这个需求的。在原始的进程与线程（系统线程）编程中我们会采用管道的方式，而 channel 就是用户态线程传递消息的管道实现，并且是类型安全的。

既然 channel 是一个管道，用来满足不同 goroutine 间交换消息的。那么实现这样一个管道要怎么做呢？

来看看我们日常传递消息的需求：

1. 能够有多个 goroutine 向 channel 进行读写，并且保证没有竞争问题，需要用 队列 来管理阻塞的 goroutine，解决竞争问题；
2. 需要管理发送到 channel 的消息（有缓冲、无缓冲），对于有缓存的 channel 可以采用 循环队列 来管理多个消息。

当然上面的需求是经过简化的，比如 channel 还需要具备阻塞、唤醒 goroutine 的能力，不过为了本文我们更加专注焦点问题，先只关注上面两个问题。

channel 的数据结构

接下来我们分析一下 channel 在实际运行中，它的结构体是怎么样的。当然这又分为两种类型，有缓冲与无缓冲的。我们先来看一个无缓冲的情况。

无缓冲

先把示例代码贴出来。就是两个读的 goroutine 被阻塞在一个无缓冲的 channel 上。

func main() {
 ch := make(chan int) // 无缓冲

 go goRoutineA(ch)
 go goRoutineB(ch)
 ch <- 1

 time.Sleep(time.Second * 1)
}

func goRoutineA(ch chan int) {
 v := <-ch
 fmt.Printf("A received data: %d\n", v)
}

func goRoutineB(ch chan int) {
 v := <-ch
 fmt.Printf("B received data: %d\n", v)
}

来看看当代码执行到 ch <- 1 这一行之后 channel 的结构体被填充成什么样子了！

无缓冲 channel

注意其中 buf 字段可存储的长度是0，这是因为 无缓冲 channel 不会用到循环队列来存储数据。它一定是等读、写 goroutine 都准备好了，然后直接把数据交给对方。我们用一副图来看一下无缓冲的数据交换过程。

交换数据

上图描述的是数据交换过程，再看一下读 goroutine 被阻塞的结构示意图。被阻塞的 goroutine 会挂载到对应的队列上，该队列是一个双端队列。

上面的例子，由于两个读 goroutine 在启动的时候，写还没有准备好，因此读全部被挂起在队列中；当有写goroutine准备好的时候，由于此时读已经就绪，因此写不会阻塞，挂起放到 sendq 中。大家可以修改上面的代码，自己看一下写阻塞，读立马执行的情况。

结构示例

有缓冲

我们将上面的代码改成有缓冲的通道，然后再来看看有缓冲的情况。

func main() {
 ch := make(chan int, 3) // 有缓冲

 // 都不会阻塞
 ch <- 1
 ch <- 2
    ch <- 3
    // 会阻塞，被挂起到 sendq 中
 go func() {
  ch <- 4
 }()

 // 只是为了debug
 var a int
 fmt.Println(a)

 go goRoutineA(ch)
 go goRoutineA(ch)
 go goRoutineB(ch)
 go goRoutineB(ch) // 猜猜这里会被挂起吗？

 time.Sleep(time.Second * 2)
}

func goRoutineA(ch chan int) {
 v := <-ch
 fmt.Printf("A received data: %d\n", v)
}

func goRoutineB(ch chan int) {
 v := <-ch
 fmt.Printf("B received data: %d\n", v)
}

贴出执行到第一行的 go goRoutineA(ch) 时， hchan 的结构填充情况。

有缓冲 channel

在这里可以看到缓冲的大小是3，由于增加了缓冲，只要写 goroutine 没有把缓冲写满，则不会导致协程阻塞。但是一旦缓冲没有多余的空间，则会把写 goroutine 挂起到 sendq 中，直到有空间时将他唤醒（还有其它唤醒的场景，这一略过）。

其实有缓冲的 channel，就是把同步的通信变为了异步的通信。写的 channel 不需要关注读 channel，只要有空间它就写；而读也一样，只要有数据就正常读就可以，如果没有就挂起到队列中，等待被唤醒。下图形象的展示了有缓冲 channel 是如何交换数据的。

交换数据

我们再来用图的形式看一下此时结构体的样子，这里图有些偷懒，只是在上面图的基础上增加了循环队列部分的描述，实际到该例子中，读 goroutine时不会被阻塞的，看的时候需要注意这一点。

结构示例

循环队列

今天最重要的是理解 channel 中两个关键的数据结构。为了下一讲阅读源码做准备，我把 channel 中的循环队列部分的代码抽象出来了。

// 队列满了
var ErrQFull = errors.New("circular is full")

// 没有值
var ErrQEmpty = errors.New("circular is empty")

// 定义循环队列
// 如何确定队空，还是队满？q.sendx = (q.sendx+1) % q.dataqsiz
type queue struct {
 buf      []int // 队列元素存储
 dataqsiz uint  // circular 队列长度
 qcount   uint  // 有多少元素在buf中 qcount = len(buf)
 sendx    uint  // 可以理解为队尾指针，向队列写入数据
 recvx    uint  // 可以理解为队头指针，从队列读取数据
}

func makeQ(size int) *queue {
 q := &queue{
  dataqsiz: uint(size),
  buf:      nil,
 }

 q.buf = make([]int, q.dataqsiz)

 return q
}

// 向buf中写入数据
// 请看 chansend 函数
func (c *queue) insert(ele int) error {
 // 检查队列是否有空间
 if c.dataqsiz > 0 && c.qcount == c.dataqsiz {
  return ErrQFull
 }

 // 存入数据
 c.buf[c.sendx] = ele
 c.sendx++                  // 尾指针后移
 if c.sendx == c.dataqsiz { // 如果相等，说明队列写满了，sendx放到开始位置
  c.sendx = 0
 }
 c.qcount++

 return nil
}

// 从buf中读取数据
func (c *queue) read() (int, error) {
 // 队列中没有数据了
 if c.dataqsiz > 0 && c.qcount == 0 {
  return 0, ErrQEmpty
 }

 ret := c.buf[c.recvx] // 取出元素
 c.buf[c.recvx] = 0
 c.recvx++
 if c.recvx == c.dataqsiz { // 如果相等，说明写到末尾了，recvx放到开始位置
  c.recvx = 0
 }
 c.qcount--

 return ret, nil
}

上面的代码基本上就是 channel 的循环队列部分的实现。这个队列的实现与我们平常实现的循环队列稍微有些不一样。一般我们为了方便判空，会浪费一个buf的空间来方便判空，公式是：(tail+1)%n=head ；但是在 channel 这里的循环队列，由于有了一个循环队列元素的计数，确保了这个空间不会被浪费，并且同时也能够满足 O(1) 时间复杂度计算有缓冲 channel 元素个数。

总结

总结一下今天的主要信息。

1. channel 中用到了两个数据结构：循环队列 和 双端链表；
2. 循环队列 只有在有缓冲 channel 中才会使用，它主要是做为消息的缓冲、保证消息的有序性；
3. 双端链表 是用来挂起阻塞的读、写 goroutine 的，在被唤醒时会按照入队顺序公平的进行通知；
4. 无缓冲的 channel 不会用到 循环队列 相关的结构，它必须读写 goroutine 都准备好后才能进行消息交换；
5. 做为缓冲消息的 循环队列 通过一个当前元素个数字段的标记，避免了浪费一个数据空间。

下一章我们就尝试阅读一下 channel 的源码，想要尝试录制一个视频来讲这部分源码！

参考资料

• [1] [Diving Deep Into The Golang Channels.](https://codeburst.io/diving-deep-into-the-golang-channels-549fd4ed21a8)
• [2] [Understanding Channels](https://speakerdeck.com/kavya719/understanding-channels)
• [3] [The Nature Of Channels In Go](https://www.ardanlabs.com/blog/2014/02/the-nature-of-channels-in-go.html)

推荐阅读

• [3] 走进Golang之Channel的使用
• [2] 走进Golang之运行与Plan9汇编
• [1] 走进Golang之编译器原理