1. 引言

"Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating." (不要通過共享內存來通信，而應通過通信來共享內存。) 這是 Go 語言并發設計的核心哲學。而 channel 正是實現這一哲學的核心工具。

Channel 為 Goroutine 之間的通信提供了安全的、同步的機制。它究竟是如何在底層保證并發安全和實現阻塞/非阻塞操作的？本文將深入其源碼，揭示 channel 的內部奧秘。

2. Channel 的核心數據結構

在 Go 的 runtime/chan.go 源碼中，channel 的底層實現是一個名為 hchan 的結構體。其核心字段如下（有簡化）：

// src/runtime/chan.go
type hchan struct {qcount   uint           // channel 中當前的元素個數dataqsiz uint           // channel 的容量（環形隊列的大小）buf      unsafe.Pointer // 指向容量大小為 dataqsiz 的環形隊列elemsize uint16         // channel 中元素的大小closed   uint32         // 標記 channel 是否關閉sendx uint // 環形隊列的發送索引recvx uint // 環形隊列的接收索引recvq waitq // 等待接收的 goroutine 隊列 (sudog 鏈表)sendq waitq // 等待發送的 goroutine 隊列 (sudog 鏈表)lock mutex // 保證 channel 操作的原子性
}type waitq struct {first *sudoglast  *sudog
}

核心組件解析：

• buf (環形隊列): 對于帶緩沖的 channel，buf 是一個環形隊列，用于存儲元素。發送和接收操作通過移動 sendx 和 recvx 索引來完成。

• lock (互斥鎖): channel 的所有操作（發送、接收、關閉）都必須先獲取這個鎖，這保證了其并發安全性。

• sendq 和 recvq (等待隊列): 這是 channel 實現阻塞和喚醒的關鍵。

  • 當一個 goroutine 嘗試向一個已滿的 channel 發送數據時，它會被打包成一個 sudog（goroutine 在運行時的表示）并加入到 sendq 等待隊列中，然后該 goroutine 會被掛起（park）。

  • 當一個 goroutine 嘗試從一個空的 channel 接收數據時，它也會被加入到 recvq 等待隊列中并被掛起。

3. Channel 的操作原理

3.1 發送操作 (ch <- data)

1. 加鎖：lock.Lock()。

2. 檢查 closed 標志：如果 channel 已關閉，直接 panic。

3. 檢查 recvq：如果接收等待隊列 recvq 不為空，說明有 goroutine 正在等待接收數據。

   • 這是無緩沖 channel或空緩沖 channel的接收者。

   • 直接將要發送的數據拷貝給等待的 goroutine。

   • 喚醒（gounpark）該 goroutine。

   • 解鎖，發送完成。

4. 檢查 buf：如果 buf (環形隊列) 還有空間 (qcount < dataqsiz)。

   • 將數據拷貝到 buf 的 sendx 位置。

   • sendx 索引遞增。

   • qcount 遞增。

   • 解鎖，發送完成。

5. 阻塞發送：如果 recvq 為空且 buf 已滿。

   • 將當前 goroutine 和要發送的數據打包成 sudog。

   • 加入 sendq 發送等待隊列。

   • 掛起當前 goroutine (gopark)，并解鎖。goroutine 會在此等待，直到有接收者將其喚醒。

3.2 接收操作 (<-ch)

1. 加鎖：lock.Lock()。

2. 檢查 sendq：如果發送等待隊列 sendq 不為空。

   • 這通常發生在無緩沖 channel或滿緩沖 channel。

   • 從 sendq 中取出一個等待的 goroutine。

   • 如果 buf 為空，直接從該 goroutine 中取出數據。

   • 如果 buf 已滿，先將 buf 的隊首元素取出作為返回值，然后將等待 goroutine 的數據存入 buf 隊尾。

   • 喚醒該發送 goroutine。

   • 解鎖，接收完成。

3. 檢查 buf：如果 buf 中有數據 (qcount > 0)。

   • 從 buf 的 recvx 位置取出數據。

   • recvx 索引遞增。

   • qcount 遞減。

   • 解鎖，接收完成。

4. 檢查 closed 標志：如果 channel 已關閉且 buf 為空，立即返回元素類型的零值。

5. 阻塞接收：如果上述條件都不滿足。

   • 將當前 goroutine 打包成 sudog。

   • 加入 recvq 接收等待隊列。

   • 掛起當前 goroutine (gopark) 并解鎖。

4. select 的實現

select 語句的實現更為復雜，它會將涉及到的所有 case 構建成一個 scase 數組，然后通過 selectgo 函數執行以下邏輯：

1. 隨機輪詢：打亂 scase 數組的順序，防止優先級問題。

2. 非阻塞檢查：遍歷所有 case，檢查是否有任何一個 channel 可以立即進行非阻塞的發送或接收。如果有，則執行該操作并返回。

3. 阻塞等待：如果所有 case 都無法立即完成，將當前 goroutine 加入到所有相關 channel 的等待隊列中，然后掛起。

4. 喚醒：當任何一個 channel 的操作條件滿足時（例如，有數據被發送進來），對應的 channel 會喚醒這個等待的 goroutine。goroutine 被喚醒后，會完成相應的 case 操作。

5. 總結

Go channel 的底層是一個由互斥鎖、環形隊列和兩個等待隊列（sudog 鏈表）組成的精密結構。正是通過 lock 保證了并發安全，通過 sendq 和 recvq 配合調度器的 gopark 和 gounpark，實現了 goroutine 之間的同步與通信。理解這一機制，有助于我們更深刻地運用 Go 的并發能力。