有關golang通道的面試筆記

通道是一個goroutine之間很關鍵的通訊媒介。

理解golang的通道很重要，這裡記錄平時易忘記的、易混淆的點。

1. 基本使用

剛宣告的通道，零值為nil，無法直接使用，需配合make函數進行初始化

   ic :=  make(chan int)
   ic  <-22   // 向無緩衝通道寫入資料
   v := <-ic  // 從無緩衝通道讀取資料

無緩衝通道：一手交錢，一手交貨， sender、receiver必須同時做好動作，才能完成傳送->接收；否則，先準備好的一方將會阻塞等待。
有緩衝通道 make(chan int,10)：滑軌流水線，因為存在緩衝空間，故並不強制sender、receiver必須同時準備好；當通道空或滿時，一方會阻塞。

通道存在三種狀態： nil， active， closed

針對這三種狀態，sender、receiver有一些行為，我也不知道如何強行記憶這些行為 ☹️：

動作	nil	active	closed
close	panic	成功	panic
ch <-	死鎖	阻塞或成功	panic
<-ch	死鎖	阻塞或成功	零值

2. 從1個例子看chan的實質

package main
 
import (
    "fmt"
)
 
func SendDataToChannel(ch chan int, value int) {
    fmt.Printf("ch's value：%v, chan's type: %T \n", ch, ch) // %v 顯示struct的值；%T 顯示型別
    ch <- value
}
 
func main() {
    var v int
    ch := make(chan int)     
    fmt.Printf("ch's value：%v, chan's type: %T \n", ch, ch) 
    go SendDataToChannel(ch, 101)         // 通過通道傳送資料
    v = <-ch                              //  從通道接受資料
    fmt.Println(v)       // 101
}

能正確列印101。

Q1: 剛學習golang的時候，一直給我們灌輸golang函數是值傳遞，那上例在另外一個協程內部對形參的操作，為什麼會影響外部的實參？

請關注格式化字元的紀錄檔輸出：

ch's value：0xc000018180, chan's type: chan int 
ch's value：0xc000018180, chan's type: chan int 
101

A: 上面的紀錄檔顯示傳遞的ch是一個指標值0xc000018180，型別是chan int( 這並不是說ch是指向chan int型別的指標)。

chan int本質就是指向hchan結構體的指標。

內建函數make建立通道： func makechan(t *chantype, size int) *hchan返回了指向hchan結構體的指標：

type hchan struct {
	qcount   uint           // 佇列中已有的快取元素的長度
	dataqsiz uint           // 環形佇列的長度
	buf      unsafe.Pointer // 環形佇列的地址
	elemsize uint16
	closed   uint32
	elemtype *_type // 元素型別
	sendx    uint   // 待傳送的元素索引
	recvx    uint   // 待接受元素索引
	recvq    waitq  // 阻塞等待的goroutine
	sendq    waitq  // 阻塞等待的gotoutine

	// 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
}

Q2：緩衝通道內部為什麼要使用環形佇列？

A：golang是使用陣列來實現通道佇列，在不移動元素的情況下，佇列會出現「假滿」的情況，

在做成環形佇列的情況下，所有的入隊出隊操作依舊是 O(1)的時間複雜度，同時元素空間可以重複利用。
需要使用sendIndex，receIndex來標記實際的待插入/拉取位置，顯而易見會出現 sendIndex<=receIndex 的情況。

recvq,receq是由連結串列實現的佇列，用於儲存阻塞等待的goroutine和待傳送/待接收值，
這兩個結構也是阻塞goroutine被喚醒的準備條件。

3. 傳送/接收的細節

① 不要使用共用記憶體來通訊，而是使用通訊來共用記憶體

元素值從外界進入通道會被複制，也就是說進入通道的是元素值的副本，並不是元素本身進入通道 (出通道類似)。

金玉良言落到實處：不同的執行緒不共用記憶體、不用鎖，執行緒之間通訊用channel同步也用channel。
傳送/接收資料的兩個動作(G1,G2,G3)沒有共用的記憶體，底層通過hchan結構體的buf，使用copy記憶體的方式進行通訊，最後達到了共用記憶體的目的。

② 根據第①點，傳送操作包括：複製待傳送值，放置到通道內；
接收操作包括:複製元素值，放置副本到接收方，刪除原值，以上行為在全部完成之前都不會被打斷。
所以第①點所說的無鎖，其實指的業務程式碼無鎖，通道底層實現還是靠鎖。

以send操作為例，下面程式碼擷取自 https://github.com/golang/go/blob/master/src/runtime/chan.go

if c.qcount < c.dataqsiz {
  	// Space is available in the channel buffer. Enqueue the element to send.
  	qp := chanbuf(c, c.sendx)         // 計算出buf中待插入位置的地址
  	if raceenabled {
  		racenotify(c, c.sendx, nil)
  	}
  	typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)  // 將元素copy進指定的qp地址
  	c.sendx++                         // 重新計算待插入位置的索引
  	if c.sendx == c.dataqsiz {
  		c.sendx = 0                      
  	}
  	c.qcount++
  	unlock(&c.lock)
  	return true
  }

一個常規的send動作：

計算環形佇列的待插入位置的地址
將元素copy進指定的qp地址
重新計算待插入位置的索引sendx
如果待插入位置==佇列長度，說明插入位置已到尾部，需要插入首部。
以上動作加鎖

③ 進入等待狀態的goroutine會進入hchan的sendq/recvq列表

排程器將G1、G2置為waiting狀態，G1、G2進入sendq列表，同時與邏輯處理器分離；

直到有G3嘗試讀取通道內recvx元素，之後將喚醒隊首G1進入runnable狀態，加入排程器的runqueue。

這裡面涉及gopark, goready兩個函數。

如果是無緩衝通道引起的阻塞，將會直接拷貝G1的待傳送值到G2的儲存位置

✍️ https://github.com/golang/go/blob/master/src/runtime/chan.go

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func SendDataToChannel(ch chan int, value int) {
	time.Sleep(time.Millisecond * time.Duration(value))
	ch <- value
}

func main() {
	var v int
	var ch chan int = make(chan int)
	go SendDataToChannel(ch, 104) // 通過通道傳送資料
	go SendDataToChannel(ch, 100) // 通過通道傳送資料
	go SendDataToChannel(ch, 95)  // 通過通道傳送資料
	go SendDataToChannel(ch, 120) // 通過通道傳送資料

	time.Sleep(time.Second)
	v = <-ch       //  從通道接受資料
	fmt.Println(v)  

	time.Sleep(time.Second * 10)
}

Q3：上述程式碼大概率穩定輸出95。

A：雖然4個goroutine被啟動的順序不定，但是肯定都阻塞了，阻塞的時機不一樣，被喚醒的是sendq隊首的goroutine，基本可認為第三個goroutine被首先捕獲進sendq ，因為是無緩衝通道，將會直接拷貝G3的95給到待接收地址。

4. 業內總結的通道的常規姿勢

無緩衝、緩衝通道的特徵，已經在golang領域形成了特定的套路。

當容量為0時，說明通道中不能存放資料，在傳送資料時，必須要求立馬有人接收，此時的通道稱之為無緩衝通道。
當容量為1時，說明通道只能快取一個資料，若通道中已有一個資料，此時再往裡傳送資料，會造成程式阻塞，利用這點可以利用通道來做鎖。
當容量大於1時，通道中可以存放多個資料，可以用於多個協程之間的通訊管道，共用資源。

Q4：為什麼無緩衝通道不適合做鎖？

A：我們先思考一下鎖的業務實質：獲取獨佔標識，並能夠繼續執行；無緩衝通道雖然可以獲取獨佔標識，但是他阻塞了自身goroutine的執行，所以並不適合實現業務鎖。