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Go select实现原理剖析

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发布于 2018/10/29 12:10
字数 1912
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Go

1. 前言

select是Golang在语言层面提供的多路IO复用的机制,其可以检测多个channel是否ready(即是否可读或可写),使用起来非常方便。

本章试图根据源码总结其实现原理,从而发现一些使用误区或解释一些不太常见的现象。

2. 热身环节

我们先看几个题目,用于测试对select的了解程度,每个题目代表一个知识点,本章后面的部分会进行略为详细的介绍。

2.1 题目1

下面的程序输出是什么?

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func main() {
    chan1 := make(chan int)
    chan2 := make(chan int)

    go func() {
        chan1 <- 1
        time.Sleep(5 * time.Second)
    }()

    go func() {
        chan2 <- 1
        time.Sleep(5 * time.Second)
    }()

    select {
    case <-chan1:
        fmt.Println("chan1 ready.")
    case <-chan2:
        fmt.Println("chan2 ready.")
    default:
        fmt.Println("default")
    }

    fmt.Println("main exit.")
}

程序中声明两个channel,分别为chan1和chan2,依次启动两个协程,分别向两个channel中写入一个数据就进入睡眠。select语句两个case分别检测chan1和chan2是否可读,如果都不可读则执行default语句。

参考答案:
select中各个case执行顺序是随机的,如果某个case中的channel已经ready,则执行相应的语句并退出select流程,如果所有case中的channel都未ready,则执行default中的语句然后退出select流程。另外,由于启动的协程和select语句并不能保证执行顺序,所以也有可能select执行时协程还未向channel中写入数据,所以select直接执行default语句并退出。所以,以下三种输出都有可能:

可能的输出一:

chan1 ready.
main exit.

可能的输出二:

chan2 ready.
main exit.

可能的输出三:

default
main exit.

2.2 题目2

下面的程序执行到select时会发生什么?

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func main() {
    chan1 := make(chan int)
    chan2 := make(chan int)

    writeFlag := false
    go func() {
        for {
            if writeFlag {
                chan1 <- 1
            }
            time.Sleep(time.Second)
        }
    }()

    go func() {
        for {
            if writeFlag {
                chan2 <- 1
            }
            time.Sleep(time.Second)
        }
    }()

    select {
    case <-chan1:
        fmt.Println("chan1 ready.")
    case <-chan2:
        fmt.Println("chan2 ready.")
    }

    fmt.Println("main exit.")
}

程序中声明两个channel,分别为chan1和chan2,依次启动两个协程,协程会判断一个bool类型的变量writeFlag来决定是否要向channel中写入数据,由于writeFlag永远为false,所以实际上协程什么也没做。select语句两个case分别检测chan1和chan2是否可读,这个select语句不包含default语句。

参考答案:select会按照随机的顺序检测各case语句中channel是否ready,如果某个case中的channel已经ready则执行相应的case语句然后退出select流程,如果所有的channel都未ready且没有default的话,则会阻塞等待各个channel。所以上述程序会一直阻塞。

2.3 题目3

下面程序有什么问题?

package main

import (
    "fmt"
)

func main() {
    chan1 := make(chan int)
    chan2 := make(chan int)

    go func() {
        close(chan1)
    }()

    go func() {
        close(chan2)
    }()

    select {
    case <-chan1:
        fmt.Println("chan1 ready.")
    case <-chan2:
        fmt.Println("chan2 ready.")
    }

    fmt.Println("main exit.")
}

程序中声明两个channel,分别为chan1和chan2,依次启动两个协程,协程分别关闭两个channel。select语句两个case分别检测chan1和chan2是否可读,这个select语句不包含default语句。

参考答案:select会按照随机的顺序检测各case语句中channel是否ready,考虑到已关闭的channel也是可读的,所以上述程序中select不会阻塞,具体执行哪个case语句具是随机的。

2.4 题目4

下面程序会发生什么?

package main

func main() {
    select {
    }
}

上面程序中只有一个空的select语句。

参考答案:对于空的select语句,程序会被阻塞,准确的说是当前协程被阻塞,同时Golang自带死锁检测机制,当发现当前协程再也没有机会被唤醒时,则会panic。所以上述程序会panic。

3. 实现原理

Golang实现select时,定义了一个数据结构表示每个case语句(含defaut,default实际上是一种特殊的case),select执行过程可以类比成一个函数,函数输入case数组,输出选中的case,然后程序流程转到选中的case块。

3.1 case数据结构

源码包src/runtime/select.go:scase定义了表示case语句的数据结构:

type scase struct {
	c           *hchan         // chan
	kind        uint16
	elem        unsafe.Pointer // data element
}

scase.c为当前case语句所操作的channel指针,这也说明了一个case语句只能操作一个channel。
scase.kind表示该case的类型,分为读channel、写channel和default,三种类型分别由常量定义:

  • caseRecv:case语句中尝试读取scase.c中的数据;
  • caseSend:case语句中尝试向scase.c中写入数据;
  • caseDefault: default语句

scase.elem表示缓冲区地址,跟据scase.kind不同,有不同的用途:

  • scase.kind == caseRecv : scase.elem表示读出channel的数据存放地址;
  • scase.kind == caseSend : scase.elem表示将要写入channel的数据存放地址;

3.2 select实现逻辑

源码包src/runtime/select.go:selectgo()定义了select选择case的函数:

func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, ncases int) (int, bool)

函数参数:

  • cas0为scase数组的首地址,selectgo()就是从这些scase中找出一个返回。
  • order0为一个两倍cas0数组长度的buffer,保存scase随机序列pollorder和scase中channel地址序列lockorder
    • pollorder:每次selectgo执行都会把scase序列打乱,以达到随机检测case的目的。
    • lockorder:所有case语句中channel序列,以达到去重防止对channel加锁时重复加锁的目的。
  • ncases表示scase数组的长度

函数返回值:

  1. int: 选中case的编号,这个case编号跟代码一致
  2. bool: 是否成功从channle中读取了数据,如果选中的case是从channel中读数据,则该返回值表示是否读取成功。

selectgo实现伪代码如下:

func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, ncases int) (int, bool) {
    //1. 锁定scase语句中所有的channel
    //2. 按照随机顺序检测scase中的channel是否ready
    //   2.1 如果case可读,则读取channel中数据,解锁所有的channel,然后返回(case index, true)
    //   2.2 如果case可写,则将数据写入channel,解锁所有的channel,然后返回(case index, false)
    //   2.3 所有case都未ready,则解锁所有的channel,然后返回(default index, false)
    //3. 所有case都未ready,且没有default语句
    //   3.1 将当前协程加入到所有channel的等待队列
    //   3.2 当将协程转入阻塞,等待被唤醒
    //4. 唤醒后返回channel对应的case index
    //   4.1 如果是读操作,解锁所有的channel,然后返回(case index, true)
    //   4.2 如果是写操作,解锁所有的channel,然后返回(case index, false)
}

特别说明:对于读channel的case来说,如case elem, ok := <-chan1:, 如果channel有可能被其他协程关闭的情况下,一定要检测读取是否成功,因为close的channel也有可能返回,此时ok == false。

4. 总结

  • select语句中除default外,每个case操作一个channel,要么读要么写
  • select语句中除default外,各case执行顺序是随机的
  • select语句中如果没有default语句,则会阻塞等待任一case
  • select语句中读操作要判断是否成功读取,关闭的channel也可以读取

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