Go中的channel怎么实现的？

相信大家在开发的过程中经常会使用到go中并发利器channel，channel 是CSP并发模型中最重要的一个组件，两个独立的并发实体通过共享的通讯channel进行通信。大多数人只是会用这么个结构很少有人讨论它底层实现，这篇文章讲写写channel的底层实现。

channel

channel的底层实现是一个结构体，源代码如下:

type hchan struct {
    qcount   uint           // total data in the queue
    dataqsiz uint           // size of the circular queue
    buf      unsafe.Pointer // points to an array of dataqsiz elements
    elemsize uint16
    closed   uint32
    elemtype *_type // element type
    sendx    uint   // send index
    recvx    uint   // receive index
    recvq    waitq  // list of recv waiters
    sendq    waitq  // list of send waiters

    // 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
}

可能看源代码不是很好看得懂，这里我个人画了一张图方便大家查看，我在上面标注了不同颜色，并且注释其作用。

通道像一个传送带或者队列，总是遵循FIFO的规则，保证收发数据的顺序，通道是goroutine间重要通信的方式，是并发安全的。

buf

hchan结构体中的buf指向一个循环队列，用来实现循环队列，sendx是循环队列的队尾指针，recvx是循环队列的队头指针，dataqsize是缓存型通道的大小，qcount是记录通道内元素个数。

在日常开发过程中用的最多就是ch := make(chan int, 10)这样的方式创建一个通道，如果这要声明初始化的话，这个通道就是有缓冲区的，也是图上紫色的buf，buf是在make的时候程序创建的，它有元素大小*元素个数组成一个循环队列，可以看做成一个环形结构，buf则是一个指针指向这个环。

上图对应的代码那就是ch = make(chan int,6)，buf指向这个环在heap上的地址。

func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
    elem := t.elem

    // compiler checks this but be safe.
    if elem.size >= 1<<16 {
        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.
    // SudoG's are referenced from their owning thread so they can't be collected.
    // TODO(dvyukov,rlh): Rethink when collector can move allocated objects.
    var c *hchan
    switch {
    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(hchanSize+mem, 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 = elem
    c.dataqsiz = uint(size)
    lockInit(&c.lock, lockRankHchan)

    if debugChan {
        print("makechan: chan=", c, "; elemsize=", elem.size, "; dataqsiz=", size, "n")
    }
    return c
}

上面就是对应的代码实现，上来它会检查你一系列参数是否合法，然后在通过mallocgc在内存开辟这块空间，然后返回。

sendx & recvx

下面我手动模拟一个ring实现的代码：

// Queue cycle buffer
type CycleQueue struct {
    data                  []interface{} // 存放元素的数组，准确来说是切片
    frontIndex, rearIndex int           // frontIndex 头指针,rearIndex 尾指针
    size                  int           // circular 的大小
}

// NewQueue Circular Queue
func NewQueue(size int) (*CycleQueue, error) {
    if size <= 0 || size < 10 {
      return nil, fmt.Errorf("initialize circular queue size fail,%d not legal,size >= 10", size)
    }
    cq := new(CycleQueue)
    cq.data = make([]interface{}, size)
    cq.size = size
    return cq, nil
}

// Push  add data to queue
func (q *CycleQueue) Push(value interface{}) error {
    if (q.rearIndex+1)%cap(q.data) == q.frontIndex {
        return errors.New("circular queue full")
    }
    q.data[q.rearIndex] = value
    q.rearIndex = (q.rearIndex + 1) % cap(q.data)
    return nil
}

// Pop return queue a front element
func (q *CycleQueue) Pop() interface{} {
    if q.rearIndex == q.frontIndex {
        return nil
    }
    v := q.data[q.frontIndex]
    q.data[q.frontIndex] = nil // 拿除元素 位置就设置为空
    q.frontIndex = (q.frontIndex + 1) % cap(q.data)
    return v
}

循环队列一般使用空余单元法来解决队空和队满时候都存在font=rear带来的二义性问题，但这样会浪费一个单元。golang的channel中是通过增加qcount字段记录队列长度来解决二义性，一方面不会浪费一个存储单元，另一方面当使用len函数查看队列长度时候，可以直接返回qcount字段，一举两得。