golang中的channel及踩坑

通道channel是golang的高并发法宝之一，作为一个go程序员，如果不会使用channel做并发操作实在是有点说不过去。

通道的结构

数据结构

type hchan struct {
    //channel分为无缓冲和有缓冲两种。
    //对于有缓冲的channel存储数据，借助的是如下循环数组的结构
    qcount   uint           // 循环数组中的元素数量
    dataqsiz uint           // 循环数组的长度
    buf      unsafe.Pointer // 指向底层循环数组的指针
    elemsize uint16 //能够收发元素的大小


    closed   uint32   //channel是否关闭的标志
    elemtype *_type //channel中的元素类型

    //有缓冲channel内的缓冲数组会被作为一个“环型”来使用。
    //当下标超过数组容量后会回到第一个位置，所以需要有两个字段记录当前读和写的下标位置
    sendx    uint   // 下一次发送数据的下标位置
    recvx    uint   // 下一次读取数据的下标位置

    //当循环数组中没有数据时，收到了接收请求，那么接收数据的变量地址将会写入读等待队列
    //当循环数组中数据已满时，收到了发送请求，那么发送数据的变量地址将写入写等待队列
    recvq    waitq  // 读等待队列
    sendq    waitq  // 写等待队列


    lock mutex //互斥锁，保证读写channel时不存在并发竞争问题
}

读写通道的过程

发送流程：

向一个channel中写数据简单过程如下：

如果等待接收队列recvq不为空，说明缓冲区中没有数据或者没有缓冲区，此时直接从recvq取出G,并把数据写入，最后把该G唤醒，结束发送过程；
如果缓冲区中有空余位置，将数据写入缓冲区，结束发送过程；
如果缓冲区中没有空余位置，将待发送数据写入G，将当前G加入sendq，进入睡眠，等待被读goroutine唤醒；

简单流程图如下：

接收流程：

从一个channel读数据简单过程如下：

如果等待发送队列sendq不为空，且没有缓冲区，直接从sendq中取出G，把G中数据读出，最后把G唤醒，结束读取过程；
如果等待发送队列sendq不为空，此时说明缓冲区已满，从缓冲区中首部读出数据，把G中数据写入缓冲区尾部，把G唤醒，结束读取过程；
如果缓冲区中有数据，则从缓冲区取出数据，结束读取过程；
将当前goroutine加入recvq，进入睡眠，等待被写goroutine唤醒；

简单流程图如下：

关闭channel

关闭channel时会把recvq中的G全部唤醒，本该写入G的数据位置为nil。把sendq中的G全部唤醒，但这些G会panic。

除此之外，panic出现的常见场景还有：

关闭值为nil的channel
关闭已经被关闭的channel
向已经关闭的channel写数据

无缓冲通道和缓冲为1的通道

在无缓冲通道中，读和写是相互依赖的，任意一个读或写操作没有交付，都会一直阻塞。

而缓冲为1的通道不同，以往channel发送数据为例，数据会优先交付给接收队列中等待的goroutine，如果等待队列为空，就会将数据到缓冲区；如果缓冲区满的话，才会阻塞到发送队列。

相比之下，无缓冲通道有更强的一致性，而有缓冲通道则更灵活。

在下面这个例子中，可以更好理解二者的区别：

仅使用一个管道，交替打印1-100这100个数字。

func main() {
	ch := make(chan int, 1)

	wg := &sync.WaitGroup{}
	wg.Add(2)

	go printFn(wg, 1, ch)
	go printFn(wg, 2, ch)

	ch <- 1

	wg.Wait()
	close(ch)
}

func printFn(wg *sync.WaitGroup, id int, cur chan int) {
	defer wg.Done()
	for i := id; i <= 100; {
		val := <-cur
		if val != id {
			cur <- val
			continue
		}
		fmt.Printf("goroutine%v: %v\n", id, i)
		cur <- (id % 2) + 1 // 交替传递信号
		i += 2
	}
}

使用缓冲区为1的管道可以正常打印：

goroutine1: 1
goroutine2: 2
…

…

goroutine1: 99
goroutine2: 100

但是如果将chanel更改为无缓冲管道。结果将是先正常打印数字，然后死锁:

…

goroutine2: 98
goroutine1: 99
goroutine2: 100
fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

goroutine 1 [semacquire]:
sync.runtime_Semacquire(0x14000002101?)
/usr/local/go/src/runtime/sema.go:62 +0x2c

…

原因是，无论那个goroutine先结束，另一个goroutine都会阻塞在 cur <- (id % 2) + 1写管道这里。

例如，当 goroutine 1 打印 99 之后，发送信号给 goroutine 2，希望它打印 100。此时 goroutine 2 打印 100 后，会再次尝试发送信号给 goroutine 1。

但是，goroutine 1 已经没有数字需要打印了，因此它不会再从通道中读取信号，也不会继续工作。

goroutine 2 此时被阻塞在发送信号的操作上，等待 goroutine 1 接收，但 goroutine 1 已经结束等待，程序进入死锁状态。

而有缓冲通道则没有这个问题，goroutine直接将数据放入缓冲区buf中即可。