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select

  • select 控制结构中包含 default 语句时，能在 channel 上进行非阻塞的收发操作
  • select 在遇到多个 channel 同时响应时，会随机执行一种情况。引入随机性就是为了避免饥饿问题发生

一、实现原理

select 语句在编译期间会被转换成 OSELECT 节点。每个 OSELECT 节点都会持有一组 OCASE 节点，每一个 OCASE 节点既包含执行条件，也包含满足条件后执行的代码。如果 OCASE 的执行条件为空，就意味着这是一个 default 节点。

编译器会根据 select 中的 case 的不同对控制语句进行优化，分为四种情况：

1. select 不存在任何 case

直接将类似 select{} 的语句转换成调用 runtime.block 函数，而 runtime.block 函数会调用 runtime.gopark 让出当前 Goroutine 对处理器的使用权，并传入等待原因 waitReasonSelectNoCases。也就是说，空的 select 语句会阻塞当前 Goroutine，导致 Goroutine 进入无法被唤醒的永久休眠状态

2. select 只存在一个 case

编译器会将 select 改写成 if 条件语句，判断 channel 中是否可发送或可接受。当 case 中的 channel 是空指针时，会直接挂起当前 Goroutine 并陷入永久休眠

3. select 存在两个 case，其中一个是 default

有 default 的 case，编译器会认为这是一次非阻塞的收发操作。会先将 case 中所有的 channel 都转换成指向 channel 的地址。

  • 发送过程：当 case 中表达式的类型是 OSEND 时，编译器会优化成 if 条件语句和 runtime.selectnbsend （not block）函数。而 runtime.selectnbsend 函数会有一个 block 参数，决定此次发送是不是阻塞的，然后再调用 runtime.chansend 发送数据，由于传入的 block 参数为非阻塞，所以在不存在接收方或缓冲区空间不足时，当前 Goroutine 都不会阻塞而会直接返回
  • 接收过程：由于从 channel 中接收数据可能会返回一个或两个值，返回值数量不同会导致使用函数的不同。分别是 runtime.selectnbrecv 和 runtime.selectnbrecv2 函数。底层都会调用 runtime.chanrecv，也会有一个 block 参数决定此次接收是否非阻塞。

4. select 存在多个 case

  • 将所有 case 转换成包含 channel 以及类型等信息的 runtime.scase 结构体。

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

  • 调用运行时函数 runtime.selectgo 从多个准备就绪的 channel 中选择一个可执行的 runtime.scase 结构体

  • 通过 for 循环生成一组 if 语句，在语句中判断自己是不是被选中的 case

runtime.selectgo 函数的执行过程

  • 初始化操作，并决定处理 case 的顺序：轮询顺序 pollOrder 和加锁顺序 lockOrder。通过以下方式确定

    • 轮询顺序：通过 runtime.fastrandn 函数引入随机性。可以避免 channel 的饥饿问题，保证公平性
    • 加锁顺序：按照 channel 的地址排序后确定加锁顺序。能够避免发生死锁（所有的 goroutine 进入 selectgo 进行 lockOrder 都是相同顺序，防止不同顺序的 case 进来时锁定 channel 导致死锁）

  • 当为 select 语句锁定了所有 channel 之后，就会进入 runtime.selectgo 函数的主循环，它会分为 3 个阶段查找或者等待某个 channel 准备就绪

    • 查找是否已经存在准备就绪的 channel，即可以执行收发操作

      循环会遍历所有 case 并找到需要被唤醒的 runtime.sudog 结构。会根据 case 的 4 种类型分别处理：

      • 当 case 不包含 channel 时：这种 case 会被跳过
      • 当 case 从 channel 中接收数据时：
        1. 如果当前 channel 的 sendq 发送队列上有等待的 Goroutine，则可以从休眠的发送方获取数据
        2. 如果当前 channel 的缓冲区不为空，就会从缓冲区获取数据
        3. 如果当前 channel 已经关闭，则从关闭的 channel 读取到 EOF
      • 当 case 向 channel 发送数据时：
        1. 如果当前 channel 已经关闭，则触发 panic 尝试中止程序
        2. 如果当前 channel 的 recvq 接收队列上有等待的 Goroutine，则可以向休眠的接收方发送数据
        3. 如果当前 channel 的缓冲区存在空闲位置，就会将待发送的数据存入缓冲区
      • 当 select 语句中包含 default 时：当前面的所有 case 都没有被执行，这里会解锁所有 channel 并返回，意味着当前 select 结构中的收发都是非阻塞的

      没有查找到准备就绪的 channel，则进入下一阶段。

    • 将当前 Goroutine 加入 channel 对应的收发队列并等待被其他 Goroutine 唤醒。除了将当前 Goroutine 对应的 runtime.sudog 结构体加入队列外，这些结构体都会被串成链表附着在当前 Goroutine 上，并挂起当前 Goroutine 等待调度器唤醒。

    • 当前 Goroutine 被唤醒之后找到满足条件的 channel 并进行处理，过程如下

      • 遍历全部 case，首先获取当前 Goroutine 接收到的参数 sudog 结构，然后依次对比所有 case 对应的 sudog 结构，找到被唤醒的 case，获取该 case 对应的索引并返回。
      • 剩余 case 中没有用到的 runtime.sudog 就会被忽略并释放。为了不影响 channel 的正常使用，会将这些废弃的 runtime.sudog 从 channel 中出队