[Golang] Channel原理

Channel原理

上来先贴一段源码

type hchan struct {
 qcount   uint  // 队列中的总元素个数
 dataqsiz uint  // 环形队列大小，即可存放元素的个数
 buf      unsafe.Pointer // 环形队列指针
 elemsize uint16  //每个元素的大小
 closed   uint32  //标识关闭状态
 elemtype *_type // 元素类型
 sendx    uint   // 发送索引，元素写入时存放到队列中的位置

 recvx    uint   // 接收索引，元素从队列的该位置读出
 recvq    waitq  // 等待读消息的goroutine队列
 sendq    waitq  // 等待写消息的goroutine队列
 lock mutex  //互斥锁，chan不允许并发读写
}
//recvq 那些已经准备好从 channel 中读取数据，但因为 channel 当前没有可供读取的数据而处于等待状态的 goroutines 的队列。
//sendq 等待机会将数据发送到 channel 中的 goroutine 的队列

向 channel 写数据:

若等待接收队列 recvq 不为空，则缓冲区中无数据或无缓冲区，将直接从 recvq 取出 G ，并把数据写入，最后把该 G 唤醒，结束发送过程。
- 说明：如果接收队列 recvq 不为空，说明有 goroutine 正在等待从 channel 中读取数据。此时，如果 channel 的缓冲区中没有数据或者 channel 没有缓冲区，将直接从 recvq 中取出一个等待的 goroutine G，把要发送的数据写入 G，然后将 G 唤醒，结束发送过程。
也就是说，原本写入的数据是写进 channel 的缓冲区中，但因为缓冲区没有数据或者channel没有缓冲区，导致这时，发送数据的操作不是将数据放入缓冲区，而是直接将数据传递给这个等待读取的 goroutine G。
- 有人可能会有疑问，为什么channel有缓冲区，而且缓冲区没有数据，写入的数据不写入缓冲区而是写入等待读消息的goroutine G内。这是因为有等待读消息的goroutine G要的就是缓冲区的数据，但是由于缓冲区没有数据了，又有新数据来，不如直接将数据 → 等待读消息的goroutine G，而不是多一步的数据 → channel缓冲区 → 等待读消息的goroutine G。
  这样做①是可以提高效率，直接将数据传递给等待读取的 goroutine 可以减少数据复制的开销，因为数据不需要先写入缓冲区再从缓冲区读取出来。这样可以提高程序的效率。②是可以避免死锁，如果缓冲区为空，而发送的数据被写入缓冲区，那么在没有其他 goroutine 准备读取的情况下，发送操作将无法完成，这可能导致死锁。通过直接将数据传递给等待读取的 goroutine，可以避免这种情况。
若等待接收队列 recvq 为空，且缓冲区中有空余位置，则将数据写入缓冲区，结束发送过程。
若等待接收队列 recvq 不为空，且缓冲区中没有空余位置，则将发送数据写入 G，将当前 G 加入 sendq ，进入睡眠，等待被读 goroutine 唤醒。

从 channel 读数据：

若等待发送队列 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。
- 说明：当从无缓冲的 channel 读取数据时，如果发送队列 sendq 不为空，这意味着有 goroutine 正在等待发送数据到这个变量。无缓冲的 channel 要求发送和接收操作同步进行，即发送方必须等待接收方准备好接收数据。
因为 channel 是无缓冲的，所以数据是在等待发送的 goroutine G 的本地变量中。
因为数据已经被接收方读取（也就是channel读取了）。G 可以继续执行它之后的代码，通常是在 G 中的 send 操作之后的代码。
在有缓冲区的情况下，若等待发送队列 sendq 不为空，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。
- 此情况基于有一个 goroutine 尝试从 channel 读取数据。
如果缓冲区中有数据，则从缓冲区取出数据（指有一个 goroutine 尝试从 channel 读取数据），结束读取过程。
- 这个操作不需要考虑 sendq，因为缓冲区中已经有数据可以被读取。
- 图同2差不多
将当前 goroutine 加入 recvq ，进入睡眠，等待被写 goroutine 唤醒。
- 在这种情况下，因为没有数据可读且没有发送操作在等待（也就是没有缓冲区或者缓冲区内没有数据，同时 sendq 为空），执行读取操作的 goroutine 将自身加入到与 channel 关联的接收队列 recvq 中。

上面的图多少有点误，比如说两个队列里不为空的话其实都是有限个 goroutine，我为了方便复制粘贴了几个空白在里面，想着意思到位就行。

其实这样看就会发现 channel 有点像科幻电影的能量传输仓，有一个三仓机器，左边一个仓右边一个仓，顶部可以按能量存储器（也就是缓冲区）就分别对应 channel 上面的四种情况。

关闭 channel：

1.关闭 channel 时会将 recvq 中的 G 全部唤醒，本该写入 G 的数据位置为 nil（因为要被读消息的对象没了）。将 sendq 中的 G 全部唤醒，但是这些 G 会 panic（因为没有写消息的对象了）。

panic 出现的场景还有：

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

备注：上面的data啊，变量啊，都是 goroutine 里面的，channel 说白了就是用来在 goroutine 里面传输数据的。

无缓冲 Chan 的发送和接收是否同步？

无缓冲的 channel：
- 当 channel 无缓冲时，发送操作必须等待另一个 goroutine 来接收数据。如果还没有接收方，发送方将会阻塞，直到有接收方准备好接收数据。
- 同样，接收操作也必须等待数据被发送。如果没有发送方，接收方将会阻塞，直到有发送方准备好发送数据。
- 因此，无缓冲的 channel 确保了发送和接收操作是同步的，即它们必须同时发生。
也就是说，无缓冲的 channel 通过阻塞强制让数据同步。
有缓冲的 channel：
- 当 channel 有缓冲时，发送操作可能不需要等待接收方。如果缓冲区未满，发送方可以直接将数据放入缓冲区，而不必立即等待接收方。
- 同样，接收操作也可能不需要等待发送方。如果缓冲区未空，接收方可以直接从缓冲区读取数据，而不必立即等待发送方。
- 然而，如果缓冲区满了，发送方在缓冲区有空间之前将会阻塞。类似地，如果缓冲区空了，接收方在缓冲区中有数据之前将会阻塞。
有缓冲的 channel 允许在缓冲区非空或未满的情况下发送和接收操作异步进行。