高级数据结构的实现
interface

深入解析Go (go internals)

7.1 channel

channel数据结构

Go语言channel是first-class的，意味着它可以被存储到变量中，可以作为参数传递给函数，也可以作为函数的返回值返回。作为Go语言的核心特征之一，虽然channel看上去很高端，但是其实channel仅仅就是一个数据结构而已，结构体定义如下：

struct	Hchan
{
	uintgo	qcount;			// 队列q中的总数据数量
	uintgo	dataqsiz;		// 环形队列q的数据大小
	uint16	elemsize;
	bool	closed;
	uint8	elemalign;
	Alg*	elemalg;		// interface for element type
	uintgo	sendx;			// 发送index
	uintgo	recvx;			// 接收index
	WaitQ	recvq;			// 因recv而阻塞的等待队列
	WaitQ	sendq;			// 因send而阻塞的等待队列
	Lock;
};

让我们来看一个Hchan这个结构体。其中一个核心的部分是存放channel数据的环形队列，由qcount和elemsize分别指定了队列的容量和当前使用量。dataqsize是队列的大小。elemalg是元素操作的一个Alg结构体，记录下元素的操作，如copy函数，equal函数，hash函数等。

可能会有人疑惑，结构体中只看到了队列大小相关的域，并没有看到存放数据的域啊？如果是带缓冲区的chan，则缓冲区数据实际上是紧接着Hchan结构体中分配的。

c = (Hchan*)runtime.mal(n + hint*elem->size);

另一个重要部分就是recvq和sendq两个链表，一个是因读这个通道而导致阻塞的goroutine，另一个是因为写这个通道而阻塞的goroutine。如果一个goroutine阻塞于channel了，那么它就被挂在recvq或sendq中。WaitQ是链表的定义，包含一个头结点和一个尾结点：

struct	WaitQ
{
	SudoG*	first;
	SudoG*	last;
};

队列中的每个成员是一个SudoG结构体变量。

struct	SudoG
{
	G*	g;		// g and selgen constitute
	uint32	selgen;		// a weak pointer to g
	SudoG*	link;
	int64	releasetime;
	byte*	elem;		// data element
};

该结构中主要的就是一个g和一个elem。elem用于存储goroutine的数据。读通道时，数据会从Hchan的队列中拷贝到SudoG的elem域。写通道时，数据则是由SudoG的elem域拷贝到Hchan的队列中。

Hchan结构如下图所示:

读写channel操作

先看写channel的操作，基本的写channel操作，在底层运行时库中对应的是一个runtime.chansend函数。

c <- v

在运行时库中会执行：

void runtime·chansend(ChanType *t, Hchan *c, byte *ep, bool *pres, void *pc)

其中c就是channel，ep是取变量v的地址。这里的传值约定是调用者负责分配好ep的空间，仅需要简单的取变量地址就够了。pres参数是在select中的通道操作使用的。

这个函数首先会区分是同步还是异步。同步是指chan是不带缓冲区的，因此可能写阻塞，而异步是指chan带缓冲区，只有缓冲区满才阻塞。

在同步的情况下，由于channel本身是不带数据缓存的，这时首先会查看Hchan结构体中的recvq链表时否为空，即是否有因为读该管道而阻塞的goroutine。如果有则可以正常写channel，否则操作会阻塞。

recvq不为空的情况下，将一个SudoG结构体出队列，将传给通道的数据(函数参数ep)拷贝到SudoG结构体中的elem域，并将SudoG中的g放到就绪队列中，状态置为ready，然后函数返回。

如果recvq为空，否则要将当前goroutine阻塞。此时将一个SudoG结构体，挂到通道的sendq链表中，这个SudoG中的elem域是参数eq，SudoG中的g是当前的goroutine。当前goroutine会被设置为waiting状态并挂到等待队列中。

在异步的情况，如果缓冲区满了，也是要将当前goroutine和数据一起作为SudoG结构体挂在sendq队列中，表示因写channel而阻塞。否则也是先看有没有recvq链表是否为空，有就唤醒。

跟同步不同的是在channel缓冲区不满的情况，这里不会阻塞写者，而是将数据放到channel的缓冲区中，调用者返回。

读channel的操作也是类似的，对应的函数是runtime.chansend。一个是收一个是发，基本的过程都是差不多的。

需要注意的是几种特殊情况下的通道操作--空通道和关闭的通道。

空通道是指将一个channel赋值为nil，或者定义后不调用make进行初始化。按照Go语言的语言规范，读写空通道是永远阻塞的。其实在函数runtime.chansend和runtime.chanrecv开头就有判断这类情况，如果发现参数c是空的，则直接将当前的goroutine放到等待队列，状态设置为waiting。

读一个关闭的通道，永远不会阻塞，会返回一个通道数据类型的零值。这个实现也很简单，将零值复制到调用函数的参数ep中。写一个关闭的通道，则会panic。关闭一个空通道，也会导致panic。

select的实现

select-case中的chan操作编译成了if-else。比如：

select {
case v = <-c:
        ...foo
default:
        ...bar
}

会被编译为:

if selectnbrecv(&v, c) {
        ...foo
} else {
        ...bar
}

类似地

select {
case v, ok = <-c:
	... foo
default:
	... bar
}

会被编译为:

if c != nil && selectnbrecv2(&v, &ok, c) {
	... foo
} else {
	... bar
}

接下来就是看一下selectnbrecv相关的函数了。其实没有任何特殊的魔法，这些函数只是简单地调用runtime.chanrecv函数，只不过设置了一个参数，告诉当runtime.chanrecv函数，当不能完成操作时不要阻塞，而是返回失败。也就是说，所有的select操作其实都仅仅是被换成了if-else判断，底层调用的不阻塞的通道操作函数。

在Go的语言规范中，select中的case的执行顺序是随机的，而不像switch中的case那样一条一条的顺序执行。那么，如何实现随机呢？

select和case关键字使用了下面的结构体：

struct	Scase
{
	SudoG	sg;			// must be first member (cast to Scase)
	Hchan*	chan;		// chan
	byte*	pc;			// return pc
	uint16	kind;
	uint16	so;			// vararg of selected bool
	bool*	receivedp;	// pointer to received bool (recv2)
};

struct	Select
{
	uint16	tcase;			// 总的scase[]数量
	uint16	ncase;			// 当前填充了的scase[]数量
	uint16*	pollorder;		// case的poll次序
	Hchan**	lockorder;		// channel的锁住的次序
	Scase	scase[1];		// 每个case会在结构体里有一个Scase，顺序是按出现的次序
};

每个select都对应一个Select结构体。在Select数据结构中有个Scase数组，记录下了每一个case，而Scase中包含了Hchan。然后pollorder数组将元素随机排列，这样就可以将Scase乱序了。

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