Go底層select的原理分析
更新時間：2025年06月25日 11:02:35 作者：在成都搬磚的鴨鴨
這篇文章主要介紹了Go底層select的原理,具有很好的參考價值,希望對大家有所幫助,如有錯誤或未考慮完全的地方,望不吝賜教
背景
select多路復(fù)用在go的異步和并發(fā)控制場景中非常好用，對于無case和只有單個case的情況，編譯器在編譯的時候就會對其做優(yōu)化，無case就相當(dāng)于調(diào)用了一個阻塞函數(shù)，單個case就相當(dāng)于對一個通道進(jìn)行讀寫操作，如果單個case中有default分支時，就相當(dāng)于是一個if else邏輯，對于多個case的情況，是在運行時調(diào)用selectgo函數(shù)決定的，接下來我們就來研究一下selectgo函數(shù)。
go版本
$ go version go version go1.21.4 windows/386
selectgo函數(shù)解釋
【1】函數(shù)參數(shù)解釋
selectgo函數(shù)位于：src/runtime/select.go中，定義如下：
//cas0：case數(shù)組地址,按照往通道寫數(shù)據(jù)在前，從通道讀數(shù)據(jù)在后的排列順序(編譯時編譯器優(yōu)化行為操作的) //nsends：往通道寫數(shù)據(jù)的case數(shù)量 //nrecvs：從通道讀數(shù)據(jù)的case數(shù)量 //block：是否阻塞 //返回值分別代表選中規(guī)定case位置和是否成功從通道接收數(shù)據(jù)，如果選中的是default，第一個返回值就返回-1 func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, pc0 *uintptr, nsends, nrecvs int, block bool) (int, bool)
select中每一個case都對應(yīng)一個scase結(jié)構(gòu)，定義如下：
type scase struct {
c *hchan //case對應(yīng)的讀或?qū)懲ǖ?
elem unsafe.Pointer //指向要寫入元素或存放讀取元素的地址
}
【2】函數(shù)具體解釋
selectgo函數(shù)中會遍歷所有的case，為確保遍歷case的隨機性和安全性，有兩個關(guān)鍵的順序：pollorder和lockorder，不用關(guān)心其具體實現(xiàn)，明白其的作用就行。
pollorder：隨機的case順序，確保公平的處理每一個case。lockorder：加鎖的case順序，確保并發(fā)安全。
計算出pollorder和lockorder順序之后，會根據(jù)這2個順序進(jìn)行遍歷分為了3步。
第一步：遍歷pollorder，選出準(zhǔn)備好的case
第一部分的代碼如下：
func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, pc0 *uintptr, nsends, nrecvs int, block bool) (int, bool) {
...
var casi int //準(zhǔn)備好的case位置
var cas *scase //case對象
var caseSuccess bool
var caseReleaseTime int64 = -1
var recvOK bool //如果是從通道讀取數(shù)據(jù)，是否讀取成功
for _, casei := range pollorder { //遍歷隨機順序的case
casi = int(casei) //case的位置
cas = &scases[casi] //case對象
c = cas.c //case通道
if casi >= nsends { //前面講過，寫通道在前，讀通道在后，所以這里是讀通道case
sg = c.sendq.dequeue() //取出往讀通道寫數(shù)據(jù)的協(xié)程隊列中的第一個協(xié)程
if sg != nil { //如果存在往通道寫數(shù)據(jù)的協(xié)程
goto recv //從往通道寫數(shù)據(jù)的協(xié)程中讀取數(shù)據(jù)并返回case位置和讀取結(jié)果
}
if c.qcount > 0 { //如果緩沖區(qū)還有數(shù)據(jù)
goto bufrecv //從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)并返回case位置和讀取結(jié)果
}
if c.closed != 0 { //如果通道已關(guān)閉
goto rclose //釋放相關(guān)資源
}
} else { //寫通道的case
if raceenabled {
racereadpc(c.raceaddr(), casePC(casi), chansendpc)
}
if c.closed != 0 { //如果通道已經(jīng)關(guān)閉
goto sclose //直接panic
}
sg = c.recvq.dequeue() //從正在往通道讀數(shù)據(jù)的協(xié)程隊列中取得第一個
if sg != nil { //如果往通道讀數(shù)據(jù)的協(xié)程存在
goto send //發(fā)送數(shù)據(jù)到讀通道的協(xié)程
}
if c.qcount < c.dataqsiz { //緩沖區(qū)還有位置
goto bufsend
}
}
}
if !block { //如果不阻塞，也就是帶default分支
selunlock(scases, lockorder)
casi = -1 //case位置為-1
goto retc //直接返回，不用進(jìn)入下一步
}
...
}
bufrecv標(biāo)簽：
bufrecv:
recvOK = true //返回讀數(shù)據(jù)成功
qp = chanbuf(c, c.recvx) //緩沖區(qū)中要讀取數(shù)據(jù)的地址
if cas.elem != nil {
typedmemmove(c.elemtype, cas.elem, qp) //將讀取的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)拷貝到case中的elem位置
}
typedmemclr(c.elemtype, qp) //清理緩沖區(qū)被讀的數(shù)據(jù)
c.recvx++ //讀取緩沖區(qū)的位置+1
if c.recvx == c.dataqsiz { //下一個要讀取緩沖區(qū)的位置如果等于緩沖區(qū)大小就將下次要讀取的緩沖區(qū)位置置為0
c.recvx = 0
}
c.qcount-- //緩沖區(qū)中元素個數(shù)-1
selunlock(scases, lockorder)
goto retc
bufsend標(biāo)簽：
bufsend:
typedmemmove(c.elemtype, chanbuf(c, c.sendx), cas.elem) //將case中要寫入的元素寫到緩沖區(qū)
c.sendx++ //寫入緩沖區(qū)的位置+1
if c.sendx == c.dataqsiz { //如果下次要寫入緩沖區(qū)的位置等于緩沖區(qū)的大小就將緩沖區(qū)寫入位置置為開頭
c.sendx = 0
}
c.qcount++ //緩沖區(qū)元素數(shù)量+1
selunlock(scases, lockorder)
goto retc
recv標(biāo)簽：
recv:
recv(c, sg, cas.elem, func() { selunlock(scases, lockorder) }, 2) //從寫通道的協(xié)程讀取數(shù)據(jù)
if debugSelect {
print("syncrecv: cas0=", cas0, " c=", c, "\n")
}
recvOK = true //返回成功讀取
goto retc
rclose標(biāo)簽：
rclose:
selunlock(scases, lockorder)
recvOK = false //從通道中讀取數(shù)據(jù)失敗
if cas.elem != nil {
typedmemclr(c.elemtype, cas.elem) //釋放case中元素的空間
}
if raceenabled {
raceacquire(c.raceaddr())
}
goto retc
send標(biāo)簽:
send:
send(c, sg, cas.elem, func() { selunlock(scases, lockorder) }, 2) //發(fā)送數(shù)據(jù)到往通道讀數(shù)據(jù)的協(xié)程
if debugSelect {
print("syncsend: cas0=", cas0, " c=", c, "\n")
}
goto retc
retc標(biāo)簽：
retc:
if caseReleaseTime > 0 {
blockevent(caseReleaseTime-t0, 1)
}
return casi, recvOK //返回case位置和是否從通道成功讀取數(shù)據(jù)
sclose標(biāo)簽：
sclose:
selunlock(scases, lockorder)
panic(plainError("send on closed channel"))
上面就是selectgo函數(shù)第一部分的邏輯，第一部分就是遍歷一個隨機的case順序，如果有符合條件的case就返回case的位置并且返回讀數(shù)據(jù)的結(jié)果，如果沒有case符合條件但是有default分支就返回-1，如果沒default分支就進(jìn)入下一步。
第二步：將當(dāng)前goroutine放到所有case通道中對應(yīng)的收發(fā)隊列上
第二部分的代碼如下：
func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, pc0 *uintptr, nsends, nrecvs int, block bool) (int, bool) {
...
gp = getg() //獲取當(dāng)前協(xié)程
if gp.waiting != nil {
throw("gp.waiting != nil")
}
nextp = &gp.waiting
for _, casei := range lockorder { //按照對case加鎖的順序遍歷case
casi = int(casei) //case的位置
cas = &scases[casi] //case對象
c = cas.c //case對象中的通道
sg := acquireSudog() //初始化一個協(xié)程等待結(jié)構(gòu)
sg.g = gp //協(xié)程等待結(jié)構(gòu)綁定協(xié)程
sg.isSelect = true //表示該協(xié)程等待結(jié)構(gòu)與select操作相關(guān)
sg.elem = cas.elem
sg.releasetime = 0
if t0 != 0 {
sg.releasetime = -1
}
sg.c = c
*nextp = sg
nextp = &sg.waitlink
if casi < nsends { //如果case上是往通道寫數(shù)據(jù)，就將綁定當(dāng)前協(xié)程的等待對象插入當(dāng)前case通道的發(fā)送隊列中
c.sendq.enqueue(sg)
} else { //如果case上是往通道讀數(shù)據(jù)，就將綁定當(dāng)前協(xié)程的等待對象插入當(dāng)前case通道的接收隊列中
c.recvq.enqueue(sg)
}
}
...
}
第二部分就是將當(dāng)前協(xié)程放到每個case中的通道對應(yīng)的收發(fā)隊列中去。
第三步：喚醒groutine
第三部分代碼如下：
func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, pc0 *uintptr, nsends, nrecvs int, block bool) (int, bool) {
...
sg = (*sudog)(gp.param) //被喚醒的協(xié)程等待結(jié)構(gòu)
gp.param = nil
casi = -1 //case位置
cas = nil //case對象
caseSuccess = false
sglist = gp.waiting //lockorder順序的協(xié)程等待結(jié)構(gòu)隊列，這里是隊列中的第一個協(xié)程等待結(jié)構(gòu)
for sg1 := gp.waiting; sg1 != nil; sg1 = sg1.waitlink { //清空協(xié)程等待結(jié)構(gòu)隊列中元素便于進(jìn)行垃圾回收
sg1.isSelect = false
sg1.elem = nil
sg1.c = nil
}
gp.waiting = nil
for _, casei := range lockorder { //根據(jù)對case的加鎖順序進(jìn)行遍歷
k = &scases[casei] //當(dāng)前case
if sg == sglist { //喚醒的協(xié)程等待結(jié)構(gòu)是當(dāng)前case的
casi = int(casei) //喚醒的case位置
cas = k //喚醒的case對象
caseSuccess = sglist.success //往通道讀取或?qū)憯?shù)據(jù)結(jié)果
if sglist.releasetime > 0 {
caseReleaseTime = sglist.releasetime
}
} else { //喚醒的協(xié)程等待結(jié)構(gòu)不是當(dāng)前case的
c = k.c
if int(casei) < nsends { //case為發(fā)送通道，就是釋放當(dāng)前case通道里sendq隊列的協(xié)程等待結(jié)構(gòu)對象
c.sendq.dequeueSudoG(sglist)
} else { //case為讀取通道，就是釋放當(dāng)前case通道里recvq隊列的協(xié)程等待結(jié)構(gòu)對象
c.recvq.dequeueSudoG(sglist)
}
}
sgnext = sglist.waitlink //下一個協(xié)程等待結(jié)構(gòu)
sglist.waitlink = nil
releaseSudog(sglist) //釋放上一個協(xié)程等待結(jié)構(gòu)
sglist = sgnext
}
...
}
第三部分就是某一個case上的協(xié)程等待結(jié)構(gòu)被喚醒時，會先執(zhí)行通道上對應(yīng)的收發(fā)操作， 然后去將所有case上的協(xié)程等待結(jié)構(gòu)釋放掉。
總結(jié)
select雖然使用起來簡單，但其實現(xiàn)邏輯還是比較復(fù)雜的，通過熟悉其實現(xiàn)，我們能理解對多個通道進(jìn)行操作時候，可以為每一個通道創(chuàng)建一個協(xié)程去操作，這無疑增加了GC開銷，但是使用select采用了多路復(fù)用的思想，將一個協(xié)程綁定在多個協(xié)程等待對象上，而且對case使用了隨機順序，確保每一個case都能公平的被執(zhí)行。
以上為個人經(jīng)驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。
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