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go channel 通道

news 2025/7/10 18:55:52

一、底层实现

1、数据结构

type hchan struct {qcount   uint           // total data in the queuedataqsiz uint           // size of the circular queuebuf      unsafe.Pointer // points to an array of dataqsiz elementselemsize uint16closed   uint32timer    *timer // timer feeding this chanelemtype *_type // element typesendx    uint   // send indexrecvx    uint   // receive indexrecvq    waitq  // list of recv waiterssendq    waitq  // list of send waiters// lock protects all fields in hchan, as well as several// fields in sudogs blocked on this channel.//// Do not change another G's status while holding this lock// (in particular, do not ready a G), as this can deadlock// with stack shrinking.lock mutex
}type waitq struct {first *sudoglast  *sudog
}

channel 用于 goroutine 之间通信和同步。主要由一个环形缓冲区（对于带缓冲的 channel）和两个指针（读指针和写指针）组成。每个 channel 还有一个锁（通常是自旋锁）来保证并发安全。

主要结构：环形缓冲区+读写指针+读写等待队列+锁

2、发送与接收

发送与接收是相对于协程而言的。

发送操作（chan <- value）会检查 channel 是否已满：
- 如果是无缓冲的 channel，发送会阻塞直到有接收操作。
- 如果是有缓冲的 channel，发送会阻塞直到有空间可用。
接收操作（value := <-chan）会检查 channel 是否为空：
- 如果是无缓冲的 channel，接收会阻塞直到有发送操作。
- 如果是有缓冲的 channel，接收会阻塞直到有数据可读

3、发送队列`（sendq）和接收队列（recvq）`

recvq 队列：当一个 goroutine 执行接收操作时，Go 调度器会检查 channel 的状态，接收的 goroutine 会被挂起，并加入到 recvq 队列。
sendq 队列：当一个 goroutine 执行发送被阻塞时，发送的 goroutine 会被挂起，并加入到 sendq 队列。

发送和接收队列是FIFO队列，阻塞线程按先进先出顺序被调度，活跃线程优先于阻塞队列中的线程被调度。

4、调度

调度器会负责管理协程的状态，协程被channel阻塞时进入等待队列，此时调度器可以将其他可运行的 goroutine 调度到 CPU 上。

二、内存管理：

1、内存分配

创建channel时分配内存，channel 内存的分配是通过内存分配器来完成的，它会根据需要为 channel 结构体和缓冲区（如果有）分配内存。

channel 的结构：channel 是一个指向 chan 类型的结构体，这个结构体包含了 channel 的基本信息（例如缓冲区大小、读写指针等）。
缓冲区（如果是缓冲 channel）：如果 channel 是缓冲的（即使用 make(chan Type, size) 创建的 channel），Go 还需要为 channel 分配一个固定大小的缓冲区，以便存储数据。缓冲区的大小是 channel 类型的元素大小乘以缓冲区的长度。

2、内存回收

当一个 channel 被销毁或不再有任何引用时，它占用的内存会被垃圾回收器回收。

channel 是引用类型，它本身是一个指针，指向一个底层的数据结构。这个底层结构体包含了与 channel 操作相关的数据，如缓冲区、队列、读写指针等
由于 channel 的底层数据结构需要在堆上进行管理，因此即使它在栈上有一个指针，实际的数据存储通常是在堆上，特别是当它的生命周期超过函数作用域时。
通过 逃逸分析，Go 运行时决定是否将 channel 分配到栈上或堆上。如果 channel 在函数外部被使用（例如通过返回值或传递给其他协程），它会被分配到堆上。
如果 channel 仅在一个函数内部，并且没有被返回或传递出去（即它的生命周期完全在栈帧内），Go 运行时可能会将它分配到栈上。这个优化是由 Go 运行时的逃逸分析（escape analysis）决定的。如果 channel 的引用没有逃逸出函数，它可能会分配在栈上；否则，它将分配在堆上。

3、回收时机

当 channel 不再被引用时：如果 channel 变量超出了作用域，或者所有引用该 channel 的变量都被置为 nil 或销毁，垃圾回收器会将该 channel 标记为可回收对象。下一次 GC 执行时，它会回收这个 channel 占用的内存。
channel 的缓冲区：如果 channel 是一个带缓冲的 channel（make(chan T, N)），那么在回收 channel 结构本身时，缓冲区也会被回收。

4、内存分配和垃圾回收的优化

Go 的垃圾回收器会尽可能地减少对内存的管理开销，但当涉及到大量的 channel 操作时，频繁的内存分配和垃圾回收可能会对性能造成影响。为了减少这种影响，可以考虑以下优化：

复用 channel：如果可能的话，复用已经创建的 channel，而不是每次都重新创建。
避免大缓冲区的 channel：如果 channel 的缓冲区过大，可能会占用大量内存，造成内存压力。使用适当大小的缓冲区可以减少内存消耗。
及时关闭 channel：在不再需要 channel 时，应该尽早关闭它，或者确保 channel 变量没有持续的引用。

channel 的关闭并不会直接触发垃圾回收，关闭 channel 只是告诉协程可以停止从该 channel 接收数据。在使用带缓冲区的 channel 时，关闭 channel 还意味着缓冲区中未处理的数据将无法再被写入。虽然关闭 channel 本身不影响垃圾回收的触发，但是关闭 channel 可以帮助协程更快地退出，从而可能减少内存泄漏的风险。如果一个 channel 被关闭且没有任何活跃的协程在使用它，那么这个 channel 很可能会更快地被垃圾回收器回收。