Go面试题(五)：图解 Golang Channel 的底层原理
今天给大家带来的面试专题是：Golang Channel
channel的底层数据结构
channel是golang中用来实现多个goroutine通信的管道，它的底层是一个叫做hchan的结构体。在go的runtime包下。
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 } 复制代码对应图解如下：
总结hchan结构体的主要组成部分有四个：
用来保存goroutine之间传递数据的循环链表。=====> buf。
用来记录此循环链表当前发送或接收数据的下标值。=====> sendx和recvx。
用于保存向该chan发送和从改chan接收数据的goroutine的队列。=====> sendq 和 recvq
保证channel写入和读取数据时线程安全的锁。 =====> lock
举个栗子
//G1 func sendTask(taskList []Task) { ... ch:=make(chan Task, 4) // 初始化长度为4的channel for _,task:=range taskList { ch <- task //发送任务到channel } ... } //G2 func handleTask(ch chan Task) { for { task:= <-ch //接收任务 process(task) //处理任务 } } 复制代码ch是长度为4的带缓冲的channel，G1是发送者，G2是接收者
初始hchan结构体重的buf为空，sendx和recvx均为0。
当G1向ch里发送数据时，首先会对buf加锁，然后将数据copy到buf中，然后sendx++，然后释放对buf的锁。
当G2消费ch的时候，会首先对buf加锁，然后将buf中的数据copy到task变量对应的内存里，然后recvx++,并释放锁。
可以发现整个过程，G1和G2没有共享的内存，底层是通过hchan结构体的buf，并使用copy内存的方式进行通信，最后达到了共享内存的目的，这里也体现了Go中的CSP并发模型。
Go中的CSP并发模型即是通过goroutine和channel实现的。
CSP并发模型：不要以共享内存的方式来通信，相反，要通过通信的方式来共享内存。
那么当channel中的缓存满了之后会发生什么呢？
首先简单了解下GMP的概念。相关的数据模型如下图:
【G】goroutine是Golang实现的用户空间的轻量级的线程
【M】代表操作系统线程
【P】处理器, 它包含了待运行goroutine。
如果线程M想运行goroutine，必须先获取P，从P中获取goroutine执行。
当G1向buf已经满了的ch发送数据的时候，检测到hchan的buf已经满了，会通知调度器，调度器会将G1的状态设置为waiting, 并移除与线程M的联系，然后从P的runqueue中选择一个goroutine在线程M中执行，此时G1就是阻塞状态，但是不是操作系统的线程阻塞，所以这个时候只用消耗少量的资源。
那么G1设置为waiting状态后去哪了？怎们去resume呢？我们再回到hchan结构体，注意到hchan有个sendq的成员，其类型是waitq，查看源码如下：
type hchan struct { ... recvq waitq // 读等待队列 sendq waitq // 写等待队列 ... } type waitq struct { first *sudog last *sudog } 复制代码实际上，当G1变为waiting状态后，会创建一个代表自己的sudog的结构，然后放到sendq这个list中，sudog结构中保存了channel相关的变量的指针(如果该Goroutine是sender，那么保存的是待发送数据的变量的地址，如果是receiver则为接收数据的变量的地址，之所以是地址，前面我们提到在传输数据的时候使用的是copy的方式)
当G2从ch中接收一个数据时，会通知调度器，设置G1的状态为runnable，然后将加入P的runqueue里，等待线程执行.
func G2(){ t := <-ch } 复制代码前面我们是假设G1先运行，如果G2先运行会怎么样呢？
如果G2先运行，那么G2会从一个empty的channel里取数据，这个时候G2就会阻塞，和前面介绍的G1阻塞一样，G2也会创建一个sudog结构体，保存接收数据的变量的地址，但是该sudog结构体是放到了recvq列表里。
当G1向ch发送数据的时候，为了提升效率，runtime并不会对hchan结构体题的buf进行加锁，而是直接将G1里的发送到ch的数据copy到了G2 sudog里对应的elem指向的内存地址！【不通过buf】
这时候，张三道友抛出了三个问题:
为什么在第一种情况下，即G1向缓存满的channel中发送数据时被阻塞。在G2后来接收时，不将阻塞的G1发送的数据直接拷贝到G2中呢？
这是因为channel中的数据是队列的，遵循先进先出的原则，当有消费者G2接收数据时，需要先接收缓存中的数据，即buf中的数据，而不是直接消费阻塞的G1中的数据。
多个goroutine向有缓存的channel接收/发送数据时，可以保证顺序吗？
func main(){ cache:=make(chan int,3) go func() { for i:=0;i< 3;i++ { cache<-i } }() time.Sleep(time.Second) //休眠1秒钟，保证channel中的数据已经写入完整 go getCache("gorouine1",cache) go getCache("gorouine2",cache) go getCache("gorouine3",cache) time.Sleep(time.Second) } func getCache(routine string,cache <-chan int) { for { select { case i:=<-cache: fmt.Printf("%s:%d\n",routine,i) } } } 复制代码很多道友在工作中应用channel时遇到上述场景都会默认为是有序的，即认为输出结果应该是：
gorouine1:0 gorouine2:1 gorouine3:2 复制代码
但实则不然，输出结果如下：
$go run main.go gorouine3:1 gorouine2:2 gorouine1:0 复制代码
这里其实主要需要明确两点：
即代码中先写的gorouine并不能保证先从channel中获取数据，或者发送数据。但是先执行的gorouine与后执行的goroutine在channel中获取的数据肯定是有序的。
channel中的数据遵循队列先进先出原则。
每一个goroutine抢到处理器的时间点不一致，gorouine的执行本身不能保证顺序。
Channel为什么是线程安全的？
在对buf中的数据进行入队和出队操作时，为当前chnnel使用了互斥锁，防止多个线程并发修改数据
channel的用法
使用for range 读取channel
for i := range ch{ fmt.Println(i) } 复制代码场景：当需要不断从channel读取数据时
原理：使用
for-range读取channel，这样既安全又便利，当channel关闭时，for循环会自动退出，无需主动监测channel是否关闭，可以防止读取已经关闭的channel，造成读到数据为通道所存储的数据类型的零值。
使用_,ok判断channel是否关闭
if v, ok := <- ch; ok { fmt.Println(v) } 复制代码场景：读channel，但不确定channel是否关闭时
原理：读已关闭的channel会得到零值，如果不确定channel，需要使用
ok进行检测。ok的结果和含义：true：读到数据，并且通道没有关闭。false：通道关闭，无数据读到。
使用select处理多个channel
for{ select { case <-ch1: process1() return case <-ch2: process2() return } } 复制代码场景：需要对多个通道进行同时处理，但只处理最先发生的channel时
原理：
select可以同时监控多个通道的情况，只处理未阻塞的case。当通道为nil时，对应的case永远为阻塞。
如果channel已经关闭，则这个case是非阻塞的，每次select都可能会被执行到。
如果多个channel都处于非阻塞态，则select会随机选择一个执行。
关闭channel的注意事项
一个 channel不能多次关闭，会导致painc
向一个已经关闭了的 channel发送数据会导致panic
面试点总结
Go channel的底层数据结构以及工作原理？
向缓存满的channel写数据会发生什么？
向没有数据的channel读数据会发生什么？
简述channel的日常用法？
后语
如果大家对本文提到的面试技术点有任何问题，都可以在评论区进行回复哈，我们共同学习，一起进步！
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作者：小道哥
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