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图解Go中select语句的底层原理

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。

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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。

我们来回顾一下是什么是 I/O多路复用 。

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"

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:

结构体可以用下图表示:

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:

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:

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:

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。

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。

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

goland map底层原理

map 是Go语言中基础的数据结构,在日常的使用中经常被用到。但是它底层是如何实现的呢?

总体来说golang的map是hashmap,是使用数组+链表的形式实现的,使用拉链法消除hash冲突。

golang的map由两种重要的结构,hmap和bmap(下文中都有解释),主要就是hmap中包含一个指向bmap数组的指针,key经过hash函数之后得到一个数,这个数低位用于选择bmap(当作bmap数组指针的下表),高位用于放在bmap的[8]uint8数组中,用于快速试错。然后一个bmap可以指向下一个bmap(拉链)。

Golang中map的底层实现是一个散列表,因此实现map的过程实际上就是实现散表的过程。在这个散列表中,主要出现的结构体有两个,一个叫 hmap (a header for a go map),一个叫 bmap (a bucket for a Go map,通常叫其bucket)。这两种结构的样子分别如下所示:

hmap :

图中有很多字段,但是便于理解map的架构,你只需要关心的只有一个,就是标红的字段: buckets数组 。Golang的map中用于存储的结构是bucket数组。而bucket(即bmap)的结构是怎样的呢?

bucket :

相比于hmap,bucket的结构显得简单一些,标红的字段依然是“核心”,我们使用的map中的key和value就存储在这里。“高位哈希值”数组记录的是当前bucket中key相关的“索引”,稍后会详细叙述。还有一个字段是一个指向扩容后的bucket的指针,使得bucket会形成一个链表结构。例如下图:

由此看出hmap和bucket的关系是这样的:

而bucket又是一个链表,所以,整体的结构应该是这样的:

哈希表的特点是会有一个哈希函数,对你传来的key进行哈希运算,得到唯一的值,一般情况下都是一个数值。Golang的map中也有这么一个哈希函数,也会算出唯一的值,对于这个值的使用,Golang也是很有意思。

Golang把求得的值按照用途一分为二:高位和低位。

如图所示,蓝色为高位,红色为低位。 然后低位用于寻找当前key属于hmap中的哪个bucket,而高位用于寻找bucket中的哪个key。上文中提到:bucket中有个属性字段是“高位哈希值”数组,这里存的就是蓝色的高位值,用来声明当前bucket中有哪些“key”,便于搜索查找。 需要特别指出的一点是:我们map中的key/value值都是存到同一个数组中的。数组中的顺序是这样的:

并不是key0/value0/key1/value1的形式,这样做的好处是:在key和value的长度不同的时候,可 以消除padding(内存对齐)带来的空间浪费 。

现在,我们可以得到Go语言map的整个的结构图了:(hash结果的低位用于选择把KV放在bmap数组中的哪一个bmap中,高位用于key的快速预览,用于快速试错)

map的扩容

当以上的哈希表增长的时候,Go语言会将bucket数组的数量扩充一倍,产生一个新的bucket数组,并将旧数组的数据迁移至新数组。

加载因子

判断扩充的条件,就是哈希表中的加载因子(即loadFactor)。

加载因子是一个阈值,一般表示为:散列包含的元素数 除以 位置总数。是一种“产生冲突机会”和“空间使用”的平衡与折中:加载因子越小,说明空间空置率高,空间使用率小,但是加载因子越大,说明空间利用率上去了,但是“产生冲突机会”高了。

每种哈希表的都会有一个加载因子,数值超过加载因子就会为哈希表扩容。

Golang的map的加载因子的公式是:map长度 / 2^B(这是代表bmap数组的长度,B是取的低位的位数)阈值是6.5。其中B可以理解为已扩容的次数。

当Go的map长度增长到大于加载因子所需的map长度时,Go语言就会将产生一个新的bucket数组,然后把旧的bucket数组移到一个属性字段oldbucket中。注意:并不是立刻把旧的数组中的元素转义到新的bucket当中,而是,只有当访问到具体的某个bucket的时候,会把bucket中的数据转移到新的bucket中。

如下图所示:当扩容的时候,Go的map结构体中,会保存旧的数据,和新生成的数组

上面部分代表旧的有数据的bucket,下面部分代表新生成的新的bucket。蓝色代表存有数据的bucket,橘黄色代表空的bucket。

扩容时map并不会立即把新数据做迁移,而是当访问原来旧bucket的数据的时候,才把旧数据做迁移,如下图:

注意:这里并不会直接删除旧的bucket,而是把原来的引用去掉,利用GC清除内存。

map中数据的删除

如果理解了map的整体结构,那么查找、更新、删除的基本步骤应该都很清楚了。这里不再赘述。

值得注意的是,找到了map中的数据之后,针对key和value分别做如下操作:

1

2

3

4

1、如果``key``是一个指针类型的,则直接将其置为空,等待GC清除;

2、如果是值类型的,则清除相关内存。

3、同理,对``value``做相同的操作。

4、最后把key对应的高位值对应的数组index置为空。

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书名:Go语言实战

作者:威廉·肯尼迪 (William Kennedy)

译者:李兆海

豆瓣评分:7.7

出版社:人民邮电出版社

出版年份:2017-3-1

页数:224

内容简介:

Go语言结合了底层系统语言的能力以及现代语言的高级特性,旨在降低构建简单、可靠、高效软件的门槛。本书向读者提供一个专注、全面且符合语言习惯的视角。Go语言实战同时关注语言的规范和实现,涉及的内容包括语法、类型系统、并发、管道、测试,以及其他一些主题。

作者简介:

William Kennedy,是一位熟练的软件开发者,也是博客GoingGo.Net的作者。

Brian Ketelsen和Erik St. Martin是全球Go语言大会GopherCon的组织者,也是Go语言框架Skynet的联合作者。

李兆海,多年专注于后端分布式网络服务开发,曾使用过多个流行后端技术和相关架构实践,是Go语言和Docker的早期使用者和推广者,《第1本Docker书》的译者。作为项目技术负责人,成功开发了百万用户级直播系统。


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