Golang channel 之 数据结构

channel的作用

channel被设计用来实现goroutine间的通信，按照golang的设计思想：以通信的方式共享内存。

channel的内存布局

例如如下代码中的make函数会在堆上分配一个runtime.hchan类型的数据结构，ch是存在于函数f栈帧上的一个指针，指向堆上的hchan数据结构。

func f() {
    ch := make(chan int)
    ...
}

至于为什么是堆上的一个结构体：首先，要实现channel这样的复杂功能，肯定不是几个字节可以搞定的，所以需要一个struct来实现；其次，这种被设计用来实现协程间通信的组件，其作用域和生命周期不可能仅限于某个函数内部，所以golang直接将其分配在堆上。

channel的数据结构

下面结合在channel中的作用，解读一下hchan中都有哪些字段：

1）协程间通信肯定涉及到并发访问，所以要有锁来保护整个数据结构：

type hchan struct {
    ...
    lock mutex
}

2）channel分为“无缓冲”和“有缓冲”两种，对于有缓冲channel来讲，需要有相应的内存来存储数据，实际上就是一个数组，需要知道数组的地址、容量、元素的大小，以及数组的长度也就是已有元素个数，加上这几个字段后，上面的结构体就变成了这样：

type hchan struct {
    qcount   uint           // 数组长度，即已有元素个数
    dataqsiz uint           // 数组容量，即可容纳元素个数
    buf      unsafe.Pointer // 数组地址
    elemsize uint16         // 元素大小
    ...
}

3）因为golang运行时中内存复制、垃圾回收等机制依赖数据的类型信息，所以hchan中还要有一个指针，指向元素类型的类型元数据：

type hchan struct {
    ...
    elemtype *_type // 元素类型
    ...
}

4）channel支持交替的读写（称send为写，recv为读，更简洁），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：

type hchan struct {
    ...
    sendx    uint   // 下一次写下标位置
    recvx    uint   // 下一次读下标位置
    ...
}

5）当读和写请求不能立即被满足时，需要能够让当前协程在channel上等待，当请求能够被满足时，要能够立即唤醒等待的协程，所以要有两个等待队列，分别针对读和写：

type hchan struct {
    ...
    recvq    waitq  // 读等待队列
    sendq    waitq  // 写等待队列
    ...
}

6）channel是能够被close的，所以要有一个字段记录是否已经close掉了：

type hchan struct {
    ...
    closed   uint32
    ...
}

最后整合起来，runtime.hchan结构是这个样子：

type hchan struct {
    qcount   uint           // 数组长度，即已有元素个数
    dataqsiz uint           // 数组容量，即可容纳元素个数
    buf      unsafe.Pointer // 数组地址
    elemsize uint16         // 元素大小
    closed   uint32
    elemtype *_type // 元素类型
    sendx    uint   // 下一次写下标位置
    recvx    uint   // 下一次读下标位置
    recvq    waitq  // 读等待队列
    sendq    waitq  // 写等待队列
    lock     mutex
}

本篇先到这里，至于channel的读写操作和select机制，留到后面的文章中解读。