走進Golang之Channel的數據結構

時間 2020-07-06

標籤走進 golang channel 數據結構欄目 Go 简体版

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上篇文章講了 channel 的基本使用，講了一些使用時須要注意的事項，本文將重點介紹 channel 中的兩個數據結構：循環隊列 與 雙端鏈表 。html

channel 的需求描述

爲了理解這些數據結構解決了什麼問題，咱們先來作個簡單的回顧，看看爲何須要這兩個數據結構，他們解決了什麼問題。咱們知道 goroutine 是用戶態的線程，不一樣的 goroutine 之間是有消息傳遞這個需求的。在原始的進程與線程（系統線程）編程中咱們會採用管道的方式，而 channel 就是用戶態線程傳遞消息的管道實現，而且是類型安全的。git

既然 channel 是一個管道，用來知足不一樣 goroutine 間交換消息的。那麼實現這樣一個管道要怎麼作呢？github

來看看咱們平常傳遞消息的需求：golang

可以有多個 goroutine 向 channel 進行讀寫，而且保證沒有競爭問題，須要用隊列來管理阻塞的 goroutine，解決競爭問題；
須要管理髮送到 channel 的消息（有緩衝、無緩衝），對於有緩存的 channel 能夠採用 循環隊列 來管理多個消息。

固然上面的需求是通過簡化的，好比 channel 還須要具有阻塞、喚醒 goroutine 的能力，不過爲了本文咱們更加專一焦點問題，先只關注上面兩個問題。web

channel 的數據結構

接下來咱們分析一下 channel 在實際運行中，它的結構體是怎麼樣的。固然這又分爲兩種類型，有緩衝與無緩衝的。咱們先來看一個無緩衝的狀況。編程

無緩衝

先把示例代碼貼出來。就是兩個讀的 goroutine 被阻塞在一個無緩衝的 channel 上。緩存

func main() {
 ch := make(chan int) // 無緩衝   go goRoutineA(ch)  go goRoutineB(ch)  ch <- 1   time.Sleep(time.Second * 1) }  func goRoutineA(ch chan int) {  v := <-ch  fmt.Printf("A received data: %d\n", v) }  func goRoutineB(ch chan int) {  v := <-ch  fmt.Printf("B received data: %d\n", v) } 複製代碼

來看看當代碼執行到 ch <- 1 這一行以後 channel 的結構體被填充成什麼樣子了！安全

注意其中 buf 字段可存儲的長度是0，這是由於 無緩衝 channel 不會用到循環隊列來存儲數據。它必定是等讀、寫 goroutine 都準備好了，而後直接把數據交給對方。咱們用一副圖來看一下無緩衝的數據交換過程。數據結構

上圖描述的是數據交換過程，再看一下讀 goroutine 被阻塞的結構示意圖。被阻塞的 goroutine 會掛載到對應的隊列上，該隊列是一個雙端隊列。異步

上面的例子，因爲兩個讀 goroutine 在啓動的時候，寫尚未準備好，所以讀所有被掛起在隊列中；當有寫goroutine準備好的時候，因爲此時讀已經就緒，所以寫不會阻塞，掛起放到 sendq 中。你們能夠修改上面的代碼，本身看一下寫阻塞，讀立馬執行的狀況。

有緩衝

咱們將上面的代碼改爲有緩衝的通道，而後再來看看有緩衝的狀況。

func main() {
 ch := make(chan int, 3) // 有緩衝   // 都不會阻塞  ch <- 1  ch <- 2  ch <- 3  // 會阻塞，被掛起到 sendq 中  go func() {  ch <- 4  }()   // 只是爲了debug  var a int  fmt.Println(a)   go goRoutineA(ch)  go goRoutineA(ch)  go goRoutineB(ch)  go goRoutineB(ch) // 猜猜這裏會被掛起嗎？   time.Sleep(time.Second * 2) }  func goRoutineA(ch chan int) {  v := <-ch  fmt.Printf("A received data: %d\n", v) }  func goRoutineB(ch chan int) {  v := <-ch  fmt.Printf("B received data: %d\n", v) } 複製代碼

貼出執行到第一行的 go goRoutineA(ch) 時， hchan 的結構填充狀況。

在這裏能夠看到緩衝的大小是3，因爲增長了緩衝，只要寫 goroutine 沒有把緩衝寫滿，則不會致使協程阻塞。可是一旦緩衝沒有多餘的空間，則會把寫 goroutine 掛起到 sendq 中，直到有空間時將他喚醒（還有其它喚醒的場景，這一略過）。

其實有緩衝的 channel，就是把同步的通訊變爲了異步的通訊。寫的 channel 不須要關注讀 channel，只要有空間它就寫；而讀也同樣，只要有數據就正常讀就能夠，若是沒有就掛起到隊列中，等待被喚醒。下圖形象的展現了有緩衝 channel 是如何交換數據的。

咱們再來用圖的形式看一下此時結構體的樣子，這裏圖有些偷懶，只是在上面圖的基礎上增長了循環隊列部分的描述，實際到該例子中，讀 goroutine時不會被阻塞的，看的時候須要注意這一點。

循環隊列

今天最重要的是理解 channel 中兩個關鍵的數據結構。爲了下一講閱讀源碼作準備，我把 channel 中的循環隊列部分的代碼抽象出來了。

// 隊列滿了
var ErrQFull = errors.New("circular is full")  // 沒有值 var ErrQEmpty = errors.New("circular is empty")  // 定義循環隊列 // 如何肯定隊空，仍是隊滿？q.sendx = (q.sendx+1) % q.dataqsiz type queue struct {  buf []int // 隊列元素存儲  dataqsiz uint // circular 隊列長度  qcount uint // 有多少元素在buf中 qcount = len(buf)  sendx uint // 能夠理解爲隊尾指針，向隊列寫入數據  recvx uint // 能夠理解爲隊頭指針，從隊列讀取數據 }  func makeQ(size int) *queue {  q := &queue{  dataqsiz: uint(size),  buf: nil,  }   q.buf = make([]int, q.dataqsiz)   return q }  // 向buf中寫入數據 // 請看 chansend 函數 func (c *queue) insert(ele int) error {  // 檢查隊列是否有空間  if c.dataqsiz > 0 && c.qcount == c.dataqsiz {  return ErrQFull  }   // 存入數據  c.buf[c.sendx] = ele  c.sendx++ // 尾指針後移  if c.sendx == c.dataqsiz { // 若是相等，說明隊列寫滿了，sendx放到開始位置  c.sendx = 0  }  c.qcount++   return nil }  // 從buf中讀取數據 func (c *queue) read() (int, error) {  // 隊列中沒有數據了  if c.dataqsiz > 0 && c.qcount == 0 {  return 0, ErrQEmpty  }   ret := c.buf[c.recvx] // 取出元素  c.buf[c.recvx] = 0  c.recvx++  if c.recvx == c.dataqsiz { // 若是相等，說明寫到末尾了，recvx放到開始位置  c.recvx = 0  }  c.qcount--   return ret, nil } 複製代碼

上面的代碼基本上就是 channel 的循環隊列部分的實現。這個隊列的實現與咱們日常實現的循環隊列稍微有些不同。通常咱們爲了方便判空，會浪費一個buf的空間來方便判空，公式是： (tail+1)%n=head ；可是在 channel 這裏的循環隊列，因爲有了一個循環隊列元素的計數，確保了這個空間不會被浪費，而且同時也可以知足 O(1) 時間複雜度計算有緩衝 channel 元素個數。