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图解Go select语句原理

2019 年 04 月 03 日 • Go

Go 的select语句是一种仅能用于channl发送和接收消息的专用语句,此语句运行期间是阻塞的;当select中没有case语句的时候,会阻塞当前的groutine。所以,有人也会说select是用来阻塞监听goroutine的。
还有人说:select是Golang在语言层面提供的I/O多路复用的机制,其专门用来检测多个channel是否准备完毕:可读或可写。

以上说法都正确。
I/O多路复用
我们来回顾一下是什么是I/O多路复用。
普通多线程(或进程)I/O

每来一个进程,都会建立连接,然后阻塞,直到接收到数据返回响应。
普通这种方式的缺点其实很明显:系统需要创建和维护额外的线程或进程。因为大多数时候,大部分阻塞的线程或进程是处于等待状态,只有少部分会接收并处理响应,而其余的都在等待。系统为此还需要多做很多额外的线程或者进程的管理工作。

为了解决图中这些多余的线程或者进程,于是有了"I/O多路复用"

I/O多路复用

每个线程或者进程都先到图中”装置“中注册,然后阻塞,然后只有一个线程在”运输“,当注册的线程或者进程准备好数据后,”装置“会根据注册的信息得到相应的数据。从始至终kernel只会使用图中这个黄黄的线程,无需再对额外的线程或者进程进行管理,提升了效率。
select组成结构
select的实现经历了多个版本的修改,当前版本为:1.11
select这个语句底层实现实际上主要由两部分组成:case语句和执行函数。
源码地址为:/go/src/runtime/select.go
每个case语句,单独抽象出以下结构体:

type scase struct {
    c           *hchan         // chan
    elem        unsafe.Pointer // 读或者写的缓冲区地址
    kind        uint16   //case语句的类型,是default、传值写数据(channel <-) 还是  取值读数据(<- channel)
    pc          uintptr // race pc (for race detector / msan)
    releasetime int64
}

复制代码结构体可以用下图表示:

其中比较关键的是:hchan,它是channel的指针。 在一个select中,所有的case语句会构成一个scase结构体的数组。

然后执行select语句实际上就是调用func selectgo(cas0 scase, order0 uint16, ncases int) (int, bool)函数。

func selectgo(cas0 scase, order0 uint16, ncases int) (int, bool)函数参数:

cas0 为上文提到的case语句抽象出的结构体scase数组的第一个元素地址
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。
nncases表示scase数组的长度

selectgo返回所选scase的索引(该索引与其各自的select {recv,send,default}调用的序号位置相匹配)。此外,如果选择的scase是接收操作(recv),则返回是否接收到值。
谁负责调用func selectgo(cas0 scase, order0 uint16, ncases int) (int, bool)函数呢?
在/reflect/value.go中有个func rselect([]runtimeSelect) (chosen int, recvOK bool)函数,此函数的实现在/runtime/select.go文件中的func reflect_rselect(cases []runtimeSelect) (int, bool)函数中:

func reflect_rselect(cases []runtimeSelect) (int, bool) { 
    //如果cases语句为空,则阻塞当前groutine
    if len(cases) == 0 {
        block()
    }
    //实例化case的结构体
    sel := make([]scase, len(cases))
    order := make([]uint16, 2*len(cases))
    for i := range cases {
        rc := &cases[i]
        switch rc.dir {
        case selectDefault:
            sel[i] = scase{kind: caseDefault}
        case selectSend:
            sel[i] = scase{kind: caseSend, c: rc.ch, elem: rc.val}
        case selectRecv:
            sel[i] = scase{kind: caseRecv, c: rc.ch, elem: rc.val}
        }
        if raceenabled || msanenabled {
            selectsetpc(&sel[i])
        }
    }
    return selectgo(&sel[0], &order[0], len(cases))
}

复制代码那谁调用的func rselect([]runtimeSelect) (chosen int, recvOK bool)呢?
在/refect/value.go中,有一个func Select(cases []SelectCase) (chosen int, recv Value, recvOK bool)的函数,其调用了rselect函数,并将最终Go中select语句的返回值的返回。
以上这三个函数的调用栈按顺序如下:

func Select(cases []SelectCase) (chosen int, recv Value, recvOK bool)
func rselect([]runtimeSelect) (chosen int, recvOK bool)
func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, ncases int) (int, bool)

这仨函数中无论是返回值还是参数都大同小异,可以简单粗暴的认为:函数参数传入的是case语句,返回值返回被选中的case语句。
那谁调用了func Select(cases []SelectCase) (chosen int, recv Value, recvOK bool)呢?
可以简单的认为是系统了。
来个简单的图:

前两个函数Select和rselect都是做了简单的初始化参数,调用下一个函数的操作。select真正的核心功能,是在最后一个函数func selectgo(cas0 scase, order0 uint16, ncases int) (int, bool)中实现的。
selectgo函数做了什么
打乱传入的case结构体顺序

锁住其中的所有的channel

遍历所有的channel,查看其是否可读或者可写

如果其中的channel可读或者可写,则解锁所有channel,并返回对应的channel数据


假如没有channel可读或者可写,但是有default语句,则同上:返回default语句对应的scase并解锁所有的channel。

假如既没有channel可读或者可写,也没有default语句,则将当前运行的groutine阻塞,并加入到当前所有channel的等待队列中去。

然后解锁所有channel,等待被唤醒。

此时如果有个channel可读或者可写ready了,则唤醒,并再次加锁所有channel,

遍历所有channel找到那个对应的channel和G,唤醒G,并将没有成功的G从所有channel的等待队列中移除。

如果对应的scase值不为空,则返回需要的值,并解锁所有channel

如果对应的scase为空,则循环此过程。

select和channel之间的关系
在想想select和channel做了什么事儿,我觉得和多路复用是一回事儿

标签: go
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