Go中Channel发送和接收操作指南

前言

先来看一道面试题：

对已经关闭的 chan 进行读写，会怎么样？为什么？

在上一篇学习 Go 协程的文章中，知道 go 关键字可以用来开启一个 goroutine 进行任务处理，但多个任务之间如果需要通信，就需要用到通道（channel）了。

一、Channel的定义

声明并初始化一个通道，可以使用 Go 语言的内建函数 make，同时指定该通道类型的元素类型，下面声明了一个 chan int 类型的 channel:

ch := make(chan int)

二、Channel的操作

发送（写）：发送操作包括了“复制元素值”和“放置副本到通道内部”这两个步骤。即：进入通道的并不是操作符右边的那个元素值，而是它的副本。

ch := make(chan int)

// write to channel
ch <- x

接收（读）：接收操作包含了“复制通道内的元素值”、“放置副本到接收方”、“删掉原值”三个步骤。

ch := make(chan int)

// read from channel
x <- ch

// another way to read
x = <- ch

关闭：关闭 channel 会产生一个广播机制，所有向 channel 读取消息的 goroutine 都会收到消息。

ch := make(chan int)

close(ch)

从一个已关闭的 channel 中读取消息永远不会阻塞，并且会返回一个为 false 的 ok-idiom，可以用它来判断 channel 是否关闭：

v, ok := <-ch

如果 ok 是false，表明接收的 v 是产生的零值，这个 channel 被关闭了或者为空。

三、Channel发送和接收操作的特点

一个通道相当于一个先进先出（FIFO）的队列：也就是说，通道中的各个元素值都是严格地按照发送的顺序排列的，先被发送通道的元素值一定会先被接收。
对于同一个通道，发送操作之间和接收操作之间是互斥的：同一时刻，对同一通道发送多个元素，直到这个元素值被完全复制进该通道之后，其他针对该通道的发送操作才可能被执行。接收也是如此。
发送操作和接收操作中，对元素值的处理是不可分割的：前面我们知道发送一个值到通道，是先复制值，再将该副本移动到通道内部，“不可分割”指的是发送操作要么还没复制元素值，要么已经复制完毕，绝不会出现只复制了一部分的情况。接收也是同理，在准备好元素值的副本之后，一定会删除掉通道中的原值，绝不会出现通道中仍有残留的情况。
发送操作和接收操作在完全完成之前会被阻塞：发送操作包括了“复制元素值”和“放置副本到通道内部”这两个步骤。在这两个步骤完全完成之前，发起这个发送操作的那句代码会一直阻塞在那里，在它之后的代码不会有执行的机会，直到阻塞解除。

四、Channel的类型

channel 分为不带缓存的 channel 和带缓存的 channel。

使用 make 声明一个通道类型变量时，除了指定通道的元素类型，还可以指定通道的容量，也就是通道最多可以缓存多少个元素值，当容量为 0 时，该通道为非缓冲通道，当容量大于 0 时，该通道为带有缓冲的通道。

ch := make(chan int)    //无缓冲的channel
ch := make(chan int, 3) //带缓冲的channel

非缓冲通道和缓冲通道有着不同的数据传递方式：

非缓冲通道：无论是发送操作还是接收操作，一开始执行就会被阻塞，直到配对的操作也开始执行，才会继续传递。即：只有收发双方对接上了，数据才会被传递。数据直接从发送方复制到接收方。非缓冲通道传递数据的方式是同步的。
缓冲通道：如果通道已满，对它的所有发送操作都会被阻塞，直到通道中有元素值被接收走。反之，如果通道已空，那么对它的所有接收操作都会被阻塞，直到通道中有新的元素值出现。元素值会先从发送方复制到缓冲通道，之后再由缓冲通道复制给接收方。缓冲通道传递数据的方式是异步的。

五、Channel的源码学习

Channel 的主要实现在 src/runtime/chan.go 中，go 版本为 go version go1.14.6 darwin/amd64这里主要看 chansend 如何实现的。

func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
 if c == nil {
  if !block {
   return false
  }
  gopark(nil, nil, waitReasonChanSendNilChan, traceEvGoStop, 2)
  throw("unreachable")
 }

 if debugChan {
  print("chansend: chan=", c, "\n")
 }

 if raceenabled {
  racereadpc(c.raceaddr(), callerpc, funcPC(chansend))
 }

 // Fast path: check for failed non-blocking operation without acquiring the lock.
 //
 // After observing that the channel is not closed, we observe that the channel is
 // not ready for sending. Each of these observations is a single word-sized read
 // (first c.closed and second c.recvq.first or c.qcount depending on kind of channel).
 // Because a closed channel cannot transition from 'ready for sending' to
 // 'not ready for sending', even if the channel is closed between the two observations,
 // they imply a moment between the two when the channel was both not yet closed
 // and not ready for sending. We behave as if we observed the channel at that moment,
 // and report that the send cannot proceed.
 //
 // It is okay if the reads are reordered here: if we observe that the channel is not
 // ready for sending and then observe that it is not closed, that implies that the
 // channel wasn't closed during the first observation.
 if !block && c.closed == 0 && ((c.dataqsiz == 0 && c.recvq.first == nil) ||
  (c.dataqsiz > 0 && c.qcount == c.dataqsiz)) {
  return false
 }

 var t0 int64
 if blockprofilerate > 0 {
  t0 = cputicks()
 }

 lock(&c.lock)

 if c.closed != 0 {
  unlock(&c.lock)
  panic(plainError("send on closed channel"))
 }

 if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {
  // Found a waiting receiver. We pass the value we want to send
  // directly to the receiver, bypassing the channel buffer (if any).
  send(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
  return true
 }

 if c.qcount < c.dataqsiz {
  // Space is available in the channel buffer. Enqueue the element to send.
  qp := chanbuf(c, c.sendx)
  if raceenabled {
   raceacquire(qp)
   racerelease(qp)
  }
  typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)
  c.sendx++
  if c.sendx == c.dataqsiz {
   c.sendx = 0
  }
  c.qcount++
  unlock(&c.lock)
  return true
 }

 if !block {
  unlock(&c.lock)
  return false
 }

 // Block on the channel. Some receiver will complete our operation for us.
 gp := getg()
 mysg := acquireSudog()
 mysg.releasetime = 0
 if t0 != 0 {
  mysg.releasetime = -1
 }
 // No stack splits between assigning elem and enqueuing mysg
 // on gp.waiting where copystack can find it.
 mysg.elem = ep
 mysg.waitlink = nil
 mysg.g = gp
 mysg.isSelect = false
 mysg.c = c
 gp.waiting = mysg
 gp.param = nil
 c.sendq.enqueue(mysg)
 gopark(chanparkcommit, unsafe.Pointer(&c.lock), waitReasonChanSend, traceEvGoBlockSend, 2)
 // Ensure the value being sent is kept alive until the
 // receiver copies it out. The sudog has a pointer to the
 // stack object, but sudogs aren't considered as roots of the
 // stack tracer.
 KeepAlive(ep)

 // someone woke us up.
 if mysg != gp.waiting {
  throw("G waiting list is corrupted")
 }
 gp.waiting = nil
 gp.activeStackChans = false
 if gp.param == nil {
  if c.closed == 0 {
   throw("chansend: spurious wakeup")
  }
  panic(plainError("send on closed channel"))
 }
 gp.param = nil
 if mysg.releasetime > 0 {
  blockevent(mysg.releasetime-t0, 2)
 }
 mysg.c = nil
 releaseSudog(mysg)
 return true
}

从代码中可以看到：