2.5 Channel类型

Channel是Go语言的特色结构，其读写操作都是并发安全的，广泛用于Goroutine间的消息传递和状态同步。Channel能够传输任意类型的数据，接下来将详细探讨Channel的使用方式及其背后的实现原理。

2.5.1 创建与初始化

我们可以创建两种类型的Channel：一种是带缓冲区的，另一种是无缓冲区的。无论哪种类型，创建Channel都需要使用make函数。创建Channel的示例如下：

当编译器识别到make函数创建Channel的语句时，它会转换成makechan函数调用，从而构建并初始化一个hchan结构体，并将该结构体的地址赋值给相应的指针变量。hchan是Channel的核心数据结构体，其定义如代码清单2-22所示。

从底层数据结构的角度来看，Channel的内部实现是一个环形数组（仅针对带缓冲区的Channel）。hchan结构体使用buf、sendx和recvx这三个字段来管理环形数组。[recvx，sendx）区域内的元素是Channel内当前有效的元素。

循环数组的元素遵循FIFO（先进先出）的原则。如果有需要等待的Goroutine，它们将会插入recvq和sendq这两个队列中。这两个队列也遵循FIFO的原则。这样设计的目的是保证数据的一致性和操作的公平性。图2-10直观地展示了Channel的内部结构。

接下来看一下makechan函数的实现，如代码清单2-23所示。

makechan的核心逻辑在于内存的分配，如果是带缓冲区的Channel，那么会分配对应的环形数组的内存。如果是无缓冲区的Channel，则不会产生这部分内存消耗。

在使用Channel时，我们经常见到直接定义Channel变量的方式，如下所示：

这种方式实际上只是分配了一个8字节的指针变量，而hchan结构体本身并未分配和初始化。因此如果直接使用上述方式定义的Channel变量，将会触发空指针导致的panic错误。

2.5.2 入队和出队

Channel的操作是配合“<-”符号来使用的，编译器会根据不同的语法转换成不同的函数调用。Channel的元素的出队和入队遵循的是FIFO的设计，先入队的元素将会先出队。这个原则的另外一层含义是，先从Channel读取的Goroutine将会先接收到数据，先向Channel发送数据的Goroutine将会先发送成功。接下来将详细解析元素入队和出队的过程。

1.元素入队

当“<-”符号在Channel变量右侧时，代表元素的入队操作。编译器识别到这一操作后，会将其转换成对chansend1函数的调用。入队操作如下所示：

chansend1函数实际上是对chansend函数的封装，chansend函数在多个场景中都有应用，例如select和Channel结合的场景（对应调用selectnbsend函数）。这样设计的目的是复用代码逻辑。chansend1函数的实现如代码清单2-24所示。

接下来，我们深入了解chansend函数的核心实现，如代码清单2-25所示。

chansend函数的核心逻辑是对环形数组的处理，当带缓冲区的Channel的环形数组满了或者是不带缓冲区的Channel时，可能会走到阻塞的逻辑。当前Goroutine把自身添加到hchan.sendq的链表上，然后主动挂起，并等待receiver的唤醒。Channel入队示意如图2-11所示。

在chansend函数中，调用了send函数来处理处于阻塞状态的receiver。send函数的实现如代码清单2-26所示。

send函数会先把入队的元素复制给等待的receiver，然后把相应的receiver唤醒。这里阻塞的recevier出自两种情况：一种是因当前是一个无缓冲区的Channel而阻塞；另一种是receiver来Channel读数据时，环形数组为空而阻塞。阻塞的receiver会被入队操作时的send函数调用而唤醒。

而元素入队操作一般有两种情况导致阻塞：一种是因当前是一个无缓冲区的Channel而阻塞；另一种是环形数组已满而阻塞。这两种情况导致阻塞的sender，将被某个出队操作（触发chanrecv函数调用，进一步调用recv函数）而唤醒。

2.元素出队

当“<-”符号在Channel变量左侧时，代表出队操作。编译器识别到这一操作后，会将其转换成对相应的chanrecv函数的调用。通常，出队操作有三种方式：

这三种方式各有其适用的场景。例如，如果只是把Channel用作同步工具，可能就不需要关心其返回值。如果不担心Channel被关闭带来的影响，那么就可以直接出队并赋值。但如果需要考虑Channel关闭的情况，并且需要明确区分Channel出队时是否已经关闭，那么就必须用带“ok”返回值的形式。否则无法区分收到的“零值”究竟是发送者发过来的实际值，还是因为Channel关闭后返回的默认值。

带“ok”和不带“ok”返回值的形式会被编译器转换成不同的函数调用，分别对应chanrecv1和chanrecv2函数。这两个函数的实现如代码清单2-27所示。

这几种出队方式，默认都是阻塞操作。也就是说，当Channel内无数据时（且未关闭），操作会阻塞导致Goroutine挂起，直到有数据可接收。chanrecv1和chanrecv2的核心过程的实现位于chanrecv函数中，如代码清单2-28所示。

chanrecv的核心逻辑和chansend是相呼应的。如果Channel内没有数据，那么可能会触发阻塞逻辑。在这种情况下，当前Goroutine会将自己添加到hchan.recvq的等待链表中，然后主动放弃执行权限，进入等待状态，直至有sender将其唤醒。

图2-12直观展示了Channel出队的过程。

chanrecv通过recv函数来唤醒hchan.sendq链表上的Goroutine。recv函数的逻辑很简单，主要处理带缓冲区和不带缓冲区的两种场景，并且维护FIFO的语义。recv函数的实现如代码清单2-29所示。

在这段代码中，recv函数的核心逻辑是接收数据，并且唤醒处于等待状态的sender。这一逻辑与send函数是相互对应的。recv函数负责接收数据并唤醒因入队操作而阻塞的Goroutine，而send函数则负责发送数据并唤醒因出队操作而阻塞的Goroutine。

2.5.3 select和Channel结合

在上述讨论中，我们谈到了Channel结合“<-”的操作默认执行的是阻塞流程。例如，当Channel中无可用元素时，执行出队操作的Goroutine会被阻塞，直到有新的元素入队才会被唤醒。

然而，在某些场合，我们可能并不希望发生阻塞。如果Channel中没有元素，我们可能更希望继续执行其他代码。为了实现Channel的非阻塞操作，我们可以将Channel与select关键字结合使用。下面分别针对Channel入队和出队场景进行讨论。

1.元素入队

我们可以将Channel的入队操作与select结合起来，把它放在select的case语句中，并指定一个default分支。这样，Channel的入队操作就是非阻塞的。即使Channel的队列已满（或者是无缓冲区的Channel），也不会阻塞Goroutine的执行。一旦元素入队成功，就会进入对应case的分支。select与Channel的入队操作结合如代码清单2-30所示。

当编译器遇到select和Channel结合的入队操作时，会将其转换成selectnbsend函数调用，因此上述代码示例实质上等同于代码清单2-31所示的伪代码。

selectnbsend函数实际上是对chansend函数的封装，复用了与chansend1相同的底层代码实现，只是传入的block参数为false而已。selectnbsend函数的实现如代码清单2-32所示。

由于selectnbsend函数调用chansend，且传入的block参数是false，这样chansend函数内部就不会执行gopark挂起的流程。chansend函数关于非阻塞模式的实现如代码清单2-33所示。

非阻塞模式下，如果Channel空间已满且没有等待的receiver，那么就会直接返回false，这样就不会阻塞当前Goroutine。同时，通过返回值false，调用者能够立即得知入队操作是否成功。

2.元素出队

我们也可以将Channel的出队操作放在select的case分支中，使出队操作变为非阻塞的。这意味着即使Channel为空（或者是无缓冲区的Channel），也不会阻塞Goroutine的执行。如果出队成功，就会进入到对应的分支。select与Channel出队操作结合的代码如代码清单2-34所示。

当编译器识别到Channel出队操作和select结合使用时，会将其转换成对selectnbrecv的函数调用。上述代码相当于代码清单2-35所示的伪代码。

selectnbrecv函数实质上是对chanrecv函数的封装，它和chanrecv1、chanrecv2复用相同的底层实现。selectnbrecv函数的区别在于传入的block参数为false。chanrecv函数的实现如代码清单2-36所示。

在chanrecv函数中，如果是非阻塞模式，如果当前Channel为空时，函数会直接返回。chanrecv函数返回两个值：selected和received。selected用于判断select的分支，如果为true，则会进入select-case的相关分支下。当received为true时，则表示成功接收到了一个值。

因此，select本身并没有用到什么“黑魔法”，它只是在不同的场景中调用了不同的函数。Channel默认的入队和出队操作对应的是chansend1和chanrecv1等阻塞式的函数调用。当select与Channel结合使用时，编译器会对selectnbsend、selectnbrecv函数进行调用，从而实现Channel的非阻塞操作。

2.5.4 for-range和Channel结合

Channel可以被视作支持FIFO规则的元素集合，当然我们也经常会有遍历Channel中元素的需求。在Go语言中，我们可以通过for-range和Channel结合来实现这一点，其基本语法结构如下所示：

当解析到这种结构时，编译器会转换成对chanrecv2函数的调用。这与我们在2.4节中所学习的map的range遍历机制相似。接下来分析for-range和Channel结合之后的三个要素：初始化、条件递进和终止条件判断。

（1）初始化和条件递进

在Channel的遍历场景，初始化和递进部分如果没有特殊处理，可以认为是空的。关键在于判断终止条件，其伪代码如下所示：

（2）终止条件判断

我们使用chanrecv2的返回值作为判断循环终止的条件。在返回值为false的时候，表明Channel被关闭，此时会终止循环。

chanrecv2是对chanrecv函数的封装，它将chanrecv的返回值received作为自己的返回值。当返回值为false时，表示循环应终止。在阻塞模式下，chanrecv只有在一种情况下才会返回false，即Channel被关闭。chanrecv2函数的实现如代码清单2-37所示。

通过上述的代码分析，我们可以总结出for-range和Channel结合的场景有以下几个关键点：

❑ 循环结束的条件之一是Channel被关闭，如果Channel没有被关闭，循环将持续进行。

❑ 当Channel被关闭后，循环并不会立即终止，还必须等到hchan.qcount==0，即Channel中的所有元素都被取出，才会满足for循环的终止条件。

❑ chanrecv2调用chanrecv函数时，block参数是true。这意味着在循环执行过程中，Goroutine可能会被阻塞并让出执行权，进入等待状态。

这三个关键点为我们深入理解并有效使用for-range和Channel的结合提供了重要参考。 ISJbHKWC07Ihe+jlxo0Z6KAL+qMBMIgL3aqj41O5r6877Z/gA24bYqb6SYgvXXN8