面试题：Go语言通道的底层数据结构及操作机制

Question

简述Go语言通道的底层数据结构，当一个协程向一个已满的缓冲通道发送数据时，底层会进行哪些操作？当从一个空的通道接收数据时，又会发生什么？

Answer 1

Go语言通道的底层数据结构

Go语言的通道（channel）底层数据结构主要包含以下几个部分：

1. hchan结构体：这是通道的核心数据结构，定义在runtime/chan.go中。它包含了通道的状态信息、缓冲区、发送和接收队列等。

   type hchan struct {
       qcount   uint           // 当前缓冲区中的元素数量
       dataqsiz uint           // 缓冲区大小
       buf      unsafe.Pointer // 指向缓冲区的指针
       elemsize uint16
       closed   uint32
       elemtype *_type // 元素类型
       sendx    uint   // 发送索引
       recvx    uint   // 接收索引
       recvq    waitq  // 接收者等待队列
       sendq    waitq  // 发送者等待队列
   
       // 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
   }
   

2. 缓冲区：如果通道是带缓冲的，buf指针指向一块连续的内存区域，用于暂存数据。qcount表示当前缓冲区中的元素数量，dataqsiz表示缓冲区的大小。
3. 发送和接收队列：sendq和recvq是两个双向链表，用于存储因通道满或空而阻塞的协程（sudog结构体）。sudog结构体包含了协程的信息以及与通道交互的相关数据。

向已满的缓冲通道发送数据时的底层操作

1. 获取锁：首先，发送操作会获取通道的lock，以保证对通道数据结构的操作是线程安全的。
2. 检查通道状态：
   • 如果通道已关闭，会触发panic，提示向已关闭的通道发送数据。
   • 如果缓冲区已满（qcount == dataqsiz），则将当前协程封装成一个sudog结构体，并将其加入到sendq发送等待队列中。
3. 阻塞当前协程：当前协程会被阻塞，让出CPU，进入睡眠状态，等待被唤醒。
4. 调度器调度：Go语言的调度器（runtime）会将这个协程从运行队列中移除，并调度其他可运行的协程。
5. 被唤醒：当缓冲区有空间时（例如有其他协程从通道接收数据），调度器会从sendq队列中取出一个sudog，唤醒对应的协程。该协程重新获取锁，将数据发送到缓冲区的合适位置（根据sendx索引），然后更新sendx和qcount，最后释放锁。

从一个空的通道接收数据时的操作

1. 获取锁：同样，接收操作首先获取通道的lock。
2. 检查通道状态：
   • 如果通道已关闭且缓冲区为空，接收操作立即返回，返回值为通道元素类型的零值。
   • 如果缓冲区为空，将当前协程封装成一个sudog结构体，并将其加入到recvq接收等待队列中。
3. 阻塞当前协程：当前协程被阻塞，进入睡眠状态，等待被唤醒。
4. 调度器调度：调度器将该协程从运行队列中移除，调度其他可运行的协程。
5. 被唤醒：当缓冲区有数据时（例如有其他协程向通道发送数据），调度器从recvq队列中取出一个sudog，唤醒对应的协程。该协程重新获取锁，从缓冲区的合适位置（根据recvx索引）接收数据，然后更新recvx和qcount，最后释放锁。