提供了编程的基础技术教程

zl程序教程

您现在的位置是：首页 >  其他

当前栏目

最全Go select底层原理，一文学透高频用法

2023-02-19 12:23:09 时间

导语 |在日常开发中，select语句被高频使用。但目前，全网分析select在编译期和运行时的完整底层原理资料，非常匮乏。本文基于Go1.18.1版本的源码，讲解select访问Channel在编译期和运行时的底层原理——select编译器优化用到的src/cmd/compile/internal/walk/select.go的walkSelectCases()函数和多case情况下运行时用到的runtime.selectgo()函数。希望能帮助到各位开发者。

在对Channel的读写方式上，除了我们通用的读 i <- ch, i, ok <- ch，写 ch <- 1 这种阻塞访问方式，还有select关键字提供的非阻塞访问方式。

在日常开发中，select语句还是会经常用到的。可能是channel普通读写的使用频率比select高，网上关于Channel源码的分析文章很多，关于select用法的文章也很多，select运行时的selectgo函数的分析也有一些，但是关于select在编译期和运行时的完整的底层原理的分析文章并不多。

本文的分析基于Go1.18.1版本的源码，主要分析select编译器优化用到的src/cmd/compile/internal/walk/select.go的walkSelectCases()函数和多case情况下运行时用到的 runtime.selectgo()函数。

结论先行

为了节省各位开发者时间，本文先给出结论，若您时间不足可以先看完本节并收藏，后续再持续阅读消化：

第一，Go select语句采用的多路复用思想，本质上是为了达到通过一个协程同时处理多个IO请求（Channel读写事件）。

第二，select的基本用法是：通过多个case监听多个Channel的读写操作，任何一个case可以执行则选择该case执行，否则执行default。如果没有default，且所有的case均不能执行，则当前的goroutine阻塞。

第三，编译器会对select有不同的case的情况进行优化以提高性能。首先，编译器对select没有case、有单case和单case+default的情况进行单独处理。这些处理或者直接调用运行时函数，或者直接转成对channel的操作，或者以非阻塞的方式访问channel，多种灵活的处理方式能够提高性能，尤其是避免对channel的加锁。

第四，对最常出现的select有多case的情况，会调用 runtime.selectgo() 函数来获取执行 case 的索引，并生成 if 语句执行该case的代码。

第五，selectgo函数的执行分为四个步骤：首先，随机生成一个遍历case的轮询顺序 pollorder 并根据 channel 地址生成加锁顺序 lockorder，随机顺序能够避免channel饥饿，保证公平性，加锁顺序能够避免死锁；然后，根据 pollorder 的顺序查找 scases 是否有可以立即收发的channel，如果有则获取case索引进行处理；再次，如果pollorder顺序上没有可以直接处理的case，则将当前 goroutine 加入各 case 的 channel 对应的收发队列上并等待其他 goroutine 的唤醒；最后，当调度器唤醒当前 goroutine 时，会再次按照 lockorder 遍历所有的case，从中查找需要被处理的case索引进行读写处理，同时从所有case的发送接收队列中移除掉当前goroutine。

select是什么？怎么用？

select是Go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。

1）什么是IO多路复用？

我们一看到select，就知道它原本是Linux操作系统中的系统调用。操作系统提供 select、poll 和 epoll 等函数构建 I/O 多路复用模型提升程序处理IO事件如网络请求的性能。Go 语言的 select 与操作系统中的 select 比较相似但又不完全相同。

操作系统中IO多路复用中多路就是多个TCP连接，复用就是指复用一个或少量线程，理解起来就是多个网络连接的IO事件复用一个或少量线程来处理这些连接。一句话概括就是，IO多路复用就是复用一个线程处理多个IO请求。

普通多线程IO 如图1.1所示，每来一个IO事件，比如网络读写请求事件，操作系统都会起一个线程或进程进行处理。这种方式的缺点很明显：对多个IO事件，系统需要创建和维护对应的多个线程或进程。大多数时候，大部分IO事件是处于等待状态，只有少部分会立即操作完成，这会导致对应的处理线程大部分时候处于等待状态，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。

图1.1 普通多线程IO

IO多路复用的基本原理如图1.2所示。通过复用可以使一个线程处理多个IO事件。操作系统无需对额外的多个线程或者进程进行管理，节约了资源，提升了效率。

图1.2 IO多路复用

操作系统中实现IO多路复用的命令select、poll、epoll，主要通过起一个线程来监听并处理多个文件描述符代表的TCP链接，用来提高处理网络读写请求的效率。而Go语言的select命令，是用来起一个goroutine协程监听多个Channel（代表多个goroutine）的读写事件，提高从多个Channel获取信息的效率。二者具体目标和实现不同，但本质思想都是相同的。

2）select怎么用？

  • select基本语法

select命令的基本语法如下：

select {
  case <- chan1:
    // 如果 chan1 成功读到数据，则进行该 case 处理语句
  case chan2 <- 1:
    // 如果成功向 chan2 写入数据，则进行该 case 处理语句
  default:
    // 如果上面都没有成功，则进入default处理流程
}

select的结构跟switch有些相似，不过仅仅只是形式上相似而已，本质上大为不同。select中的多个case的表达式必须都是Channel的读写操作，不能是其他的数据类型。select通过多个case监听多个Channel的读写操作，任何一个case可以执行则选择该case执行，否则执行default。如果没有default，且所有的case均不能执行，则当前的goroutine阻塞。

  • select没有case，永久阻塞

Go执行如下的代码：

package main

func main() {
  select {
  }
}

会发生程序因为select所在goroutine永久阻塞而失败的现象：

fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

goroutine 1 [select (no cases)]:
...

对于空的 select 语句，程序会被阻塞，确切的说是当前协程被阻塞，同时 Go 自带死锁检测机制，当发现当前协程再也没有机会被唤醒时，则会发生 panic。所以上述程序会 panic。

  • select所有case均无法执行且没有default，则阻塞

Go执行如下代码：

package main
import (
  "fmt"
)

func main() {
  ch1 := make(chan int, 1)
  ch2 := make(chan int)
  select {
  case <- ch1:
      // 从有缓冲chan中读取数据，由于缓冲区没有数据且没有发送者，该分支会阻塞
      fmt.Println("Received from ch")
  case i := <- ch2:
            // 从无缓冲chan中读取数据，由于没有发送者，该分支会阻塞
      fmt.Printf("i is: %d", i)
  }
}

程序会发生因所有case不满足执行条件，且没有default分支，而阻塞，由于 Go 自带死锁检测机制，当发现当前协程再也没有机会被唤醒时，则会发生 panic：


fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

goroutine 1 [select]:
...
  • select有一个case和default

 如果修改代码如下： 

package main
import (
  "fmt"
)

func main() {
  ch1 := make(chan int, 1)
  select {
  case <- ch1:
      // 从有缓冲chan中读取数据，由于缓冲区没有数据且没有发送者，该分支会阻塞
      fmt.Println("Received from ch")
  default:
      fmt.Println("this is default")
  }
}

select有一个case分支和default分支，当case分支不满足执行条件时执行default分支：

this is default

如果有满足的分支，则执行对应的分支：

package main

import (
  "fmt"
)

func main() {
  ch1 := make(chan int, 1)
  ch1 <- 10
  select {
  case <- ch1:
      // ch1有发送者，该分支满足执行条件
      fmt.Println("Received from ch1")
  default:
      fmt.Println("this is default")
  }
}

程序运行后，输出结果如下：

Received from ch1

  • select多个case同时可以执行，随机选择一个去执行
package main
import (
  "fmt"
)
func main() {
  ch := make(chan int, 1)
  ch <- 10
  select {
  case val := <-ch:
    fmt.Println("Received from ch1, val =", val)
  case val := <-ch:
    fmt.Println("Received from ch2, val =", val)
  case val := <-ch:
    fmt.Println("Received from ch3, val =", val)
  default:
    fmt.Println("Run in default")
  }
}

程序运行后，输出结果如下：

Received from ch2, val = 10

如果多次运行该程序，会发现，第一个case、第二个case和第三个case都会被执行。也就是说，此时所有分支条件都满足，则随机选择一个 case 执行。

select在编译期和运行时的执行过程

1）select的实现原理

select在 Go 语言的源代码中不存在对应的结构体，只是定义了一个 runtime.scase 结构体（在src/runtime/select.go）表示每个 case 语句(包含defaut)：

type scase struct {
  c    *hchan         // case中使用的chan
  elem unsafe.Pointer // 指向case包含数据的指针
}

因为所有的非 default 的 case 基本都要求是对Channel的读写操作，所以 runtime.scase 结构体中也包含一个 runtime.hchan 类型的字段存储 case 中使用的 Channel，另一个字段 elem 指向 case 条件包含的数据的指针，如 case ch1 <- 1，则 elem 指向常量1。

select语句在编译期间会被转换成 ir.OSELECT 类型的节点，见 src/cmd/compile/internal/walk/stmt.go 的 walkStmt() 函数：

func walkStmt(n ir.Node) ir.Node {
        ......
        switch n.Op() {
        ......
   case ir.OSELECT:
    n := n.(*ir.SelectStmt)
    walkSelect(n)
    return n        
        ......
        }
        ......
}

处理OSELECT类型节点的函数是src/cmd/compile/internal/walk/select.go 的 walkSelect() 函数：

func walkSelect(sel *ir.SelectStmt) {
  lno := ir.SetPos(sel)
  if sel.Walked() {
    base.Fatalf("double walkSelect")
  }
  sel.SetWalked(true)

  init := ir.TakeInit(sel)
        // 编译器在中间代码生成期间会根据select中case的不同对控制语句进行优化
  init = append(init, walkSelectCases(sel.Cases)...)
  sel.Cases = nil

  sel.Compiled = init
  walkStmtList(sel.Compiled)

  base.Pos = lno
}

编译器在中间代码生成期间会根据 select 中 case 的不同对控制语句进行优化，这一过程都发生在 src/cmd/compile/internal/walk/select.go 的 walkSelectCases() 函数中。

func walkSelectCases(cases []*ir.CommClause) []ir.Node {
  ncas := len(cases)
  sellineno := base.Pos

  // 编译器优化: select 没有case时
  if ncas == 0 {
    return []ir.Node{mkcallstmt("block")}
  }

  // 编译器优化: select只有一个case时
  if ncas == 1 {
        ......
        }
        ......
}

下面主要是分多种情况分析walkSelectCases() 函数对不同case分支条件的处理，不同的情况会调用不同的运行时函数。如图2.1所示，是编译器对不同的case情况的处理，在运行时会调用不同的函数。

图2.1   编译器对不同的case情况在运行时调用不同的函数

2）当select没有case

从1.2.2小节的事例，我们可以知道，当select没有case时，select所在的goroutine会永久阻塞，程序会直接panic。

select{}

从 walkSelectCases() 函数对无case的处理逻辑，可以看到，该种情况会直接调用 runtime.block() 函数：

func walkSelectCases(cases []*ir.CommClause) []ir.Node {
  ncas := len(cases)
  sellineno := base.Pos

  // 编译器优化: select没有case时
  if ncas == 0 {
       return []ir.Node{mkcallstmt("block")}
  }
        ......
}

runtime.block() 函数会调用 gopark() 函数以waitReasonSelectNoCases的原因挂起当前协程，并且永远无法被唤醒，Go程序检测到这种情况，直接panic： 

// src/runtime/select.go
func block() {
  gopark(nil, nil, waitReasonSelectNoCases, traceEvGoStop, 1) // forever
}

3）当select只有一个非default的case

select只有一个非 default 的 case 时，只有一个channel，实际会被编译器转换为对该channel的读写操作，和实际调用 data := <- ch 或 ch <- data 并没有什么区别：

ch := make(chan struct{})
select {
case data <- ch:
    fmt.Printf("ch data: %v\n", data)
}

该段代码的select语句，会被编译器转换为：

data := <- ch
fmt.Printf("ch data: %v\n", data)

读取ch成功后，才能执行该分支的语句，否则程序一直会阻塞。具体的实现原理在 walkSelectCases() 函数中：

// src/cmd/compile/internal/walk/select.go
func walkSelectCases(cases []*ir.CommClause) []ir.Node {
  ......
  // 编译器优化: select只有一个case时
  if ncas == 1 {
    cas := cases[0]         // 获取第一个也是唯一的一个case
    ir.SetPos(cas)
    l := cas.Init()
    if cas.Comm != nil {    // case类型不是default:
      n := cas.Comm   // 获取case的条件语句
      l = append(l, ir.TakeInit(n)...)
      switch n.Op() { // 检查case对channel的操作类型：读或写
      default:        // 如果case既不是读，也不是写channel，则直接报错
        base.Fatalf("select %v", n.Op())

      case ir.OSEND:
        // 如果对chan操作是写入类型，编译器无须做任何转换，直接是 chan <- data

      case ir.OSELRECV2:
                                // 如果对chan操作是接收类型, 完整形式为：data, ok := <- chan
        r := n.(*ir.AssignListStmt)
                                // 如果具体是<- chan这种形式，即接收字段 data和ok为空，则直接转成 <- chan
        if ir.IsBlank(r.Lhs[0]) && ir.IsBlank(r.Lhs[1]) {
          n = r.Rhs[0]
          break
        }
                                // 否则，是 data, ok := <- chan 这种形式
        r.SetOp(ir.OAS2RECV)
      }
                        // 把编译器处理后的case语句条件加入待执行语句列表
      l = append(l, n)
    }
                // 把case条件后要执行的语句体加入待执行语句列表
    l = append(l, cas.Body...)
                // 默认加入break类型语句，跳出select-case语句体
    l = append(l, ir.NewBranchStmt(base.Pos, ir.OBREAK, nil))
    return l
  }
        ......
}

从注释中可以看出，在select只有一个case并且这个case不是default时，select对case的处理就是对普通channel的读写操作。

4）当select有一个channel的case + 一个default的case

在很多讲Channel的文章中，打印下面代码的汇编，会看到select只有一个操作channel的case和一个default时，会调用编译器的runtime.selectnbrecv() 函数和runtime.selectnbsend()函数。

package main
import (
  "fmt"
)
func main() {
  ch := make(chan int)
  select {
  case ch <- 1:
    fmt.Println("run case 1")
  default:
    fmt.Println("run default")
  }
}

编译器会将其改写为：

if selectnbsend(ch, 1) {
    fmt.Println("run case 1")
} else {
    fmt.Println("run default")
}

检查 walkSelectCases() 函数：

func walkSelectCases(cases []*ir.CommClause) []ir.Node {
  ......
  // 编译器优化: case 有两个case，一个是普通的channel操作，一个是default
  if ncas == 2 && dflt != nil {
                // 获取非default的case
    cas := cases[0] 
    if cas == dflt {
      cas = cases[1]
    }

    n := cas.Comm
    ir.SetPos(n)
    r := ir.NewIfStmt(base.Pos, nil, nil, nil)
    r.SetInit(cas.Init())
    var cond ir.Node
    switch n.Op() {
    default:
      base.Fatalf("select %v", n.Op())

    case ir.OSEND:
      // 如果该case是对channel的写入操作，则调用运行时的selectnbsend 函数
      n := n.(*ir.SendStmt)
      ch := n.Chan
      cond = mkcall1(chanfn("selectnbsend", 2, ch.Type()), types.Types[types.TBOOL], r.PtrInit(), ch, n.Value)

    case ir.OSELRECV2:
                        // 如果该case是对channel的读取操作，会调用运行时的selectnbrecv 函数
      n := n.(*ir.AssignListStmt)
      recv := n.Rhs[0].(*ir.UnaryExpr)
      ch := recv.X
      elem := n.Lhs[0]
      if ir.IsBlank(elem) {
        elem = typecheck.NodNil()
      }
      cond = typecheck.Temp(types.Types[types.TBOOL])
      fn := chanfn("selectnbrecv", 2, ch.Type())
      call := mkcall1(fn, fn.Type().Results(), r.PtrInit(), elem, ch)
      as := ir.NewAssignListStmt(r.Pos(), ir.OAS2, []ir.Node{cond, n.Lhs[1]}, []ir.Node{call})
      r.PtrInit().Append(typecheck.Stmt(as))
    }

    r.Cond = typecheck.Expr(cond)
    r.Body = cas.Body
                // 将default语句放入if语句的else分支
    r.Else = append(dflt.Init(), dflt.Body...)
    return []ir.Node{r, ir.NewBranchStmt(base.Pos, ir.OBREAK, nil)}
  }
        ......
}

runtime.selectnbrecv() 函数和runtime.selectnbsend()函数会分别调用runtime.cahnrecv()函数和runtime.chansend()函数，我们可以看到传入这两个函数的第三个参数都是false，该参数是 block，为false代表非阻塞，即每次尝试从channel读写值，如果不成功则直接返回，不会阻塞。

func selectnbrecv(elem unsafe.Pointer, c *hchan) (selected, received bool) {
  return chanrecv(c, elem, false)
}
func selectnbsend(c *hchan, elem unsafe.Pointer) (selected bool) {
  return chansend(c, elem, false, getcallerpc())
}

5）当select有多个channel的case

如果对如下代码打印汇编，会发现执行select动作实际是调用的runtime.selectgo()函数:

package main
import (
  "fmt"
)
func main() {
  ch1 := make(chan int)
  ch2 := make(chan int)
  select {
  case ch1 <- 1:
    fmt.Println("run case 1")
  case data := <- ch2:
    fmt.Printf("run case 2, data is: %d", data)
  }
}

继续分析walkSelectCases()函数，处理多case的代码逻辑如下：

func walkSelectCases(cases []*ir.CommClause) []ir.Node {
       ......
       // 从这里开始是多case的情况
       // ncas是select的全部分支的个数，如果有default分支，ncas个数减一 
       if dflt != nil {
    ncas--
  }
        //定义casorder为ncas大小的case语句的数组
  casorder := make([]*ir.CommClause, ncas)
        // 分别定义nsends为发送channel的case个数，nrecvs为接收channel的case个数
  nsends, nrecvs := 0, 0
        // 定义init为多case编译后待执行的语句列表
  var init []ir.Node

  base.Pos = sellineno
        // 定义selv为长度为ncas的scase类型的数组，scasetype()函数返回的就是scase结构体，包含chan和elem两个字段
  selv := typecheck.Temp(types.NewArray(scasetype(), int64(ncas)))
  init = append(init, typecheck.Stmt(ir.NewAssignStmt(base.Pos, selv, nil)))

  // 定义order为2倍的ncas长度的TUINT16类型的数组
        // 注意：selv和order作为runtime.selectgo()函数的入参，前者存放scase列表内存地址，后者用来做scase排序使用，排序是为了便于挑选出待执行的case
  order := typecheck.Temp(types.NewArray(types.Types[types.TUINT16], 2*int64(ncas)))

  ......
        // 第一个阶段：遍历case生成scase对象放到selv中
  for _, cas := range cases {
    ir.SetPos(cas)

    init = append(init, ir.TakeInit(cas)...)

    n := cas.Comm
    if n == nil { // 如果是default分支，先跳过
      continue
    }

    var i int
    var c, elem ir.Node
                // 根据case分别是发送或接收类型，获取chan, elem的值
    switch n.Op() {
    default:
      base.Fatalf("select %v", n.Op())
    case ir.OSEND:
      n := n.(*ir.SendStmt)
      i = nsends         // 对发送channel类型的case，i从0开始递增
      nsends++
      c = n.Chan
      elem = n.Value
    case ir.OSELRECV2:
      n := n.(*ir.AssignListStmt)
      nrecvs++
      i = ncas - nrecvs   // 对接收channel类型的case，i从ncas开始递减
      recv := n.Rhs[0].(*ir.UnaryExpr)
      c = recv.X
      elem = n.Lhs[0]
    }
                // 编译器对多个case排列后，发送chan的case在左边，接收chan的case在右边，在selv中也是如此
    casorder[i] = cas
                // 定义一个函数，写入chan或elem到selv数组
    setField := func(f string, val ir.Node) {
      r := ir.NewAssignStmt(base.Pos, ir.NewSelectorExpr(base.Pos, ir.ODOT, ir.NewIndexExpr(base.Pos, selv, ir.NewInt(int64(i))), typecheck.Lookup(f)), val)
      init = append(init, typecheck.Stmt(r))
    }
                // 将c代表的chan写入selv
    c = typecheck.ConvNop(c, types.Types[types.TUNSAFEPTR])
    setField("c", c)
                // 将elem写入selv
    if !ir.IsBlank(elem) {
      elem = typecheck.ConvNop(elem, types.Types[types.TUNSAFEPTR])
      setField("elem", elem)
    }

    ......
  }
        // 如果发送chan和接收chan的个数不等于ncas，说明代码有错误，直接报错
  if nsends+nrecvs != ncas {
    base.Fatalf("walkSelectCases: miscount: %v + %v != %v", nsends, nrecvs, ncas)
  }

  // 从这里开始执行select动作
  base.Pos = sellineno
        // 定义chosen, recvOK作为selectgo()函数的两个返回值，chosen 表示被选中的case的索引，recvOK表示对于接收操作，是否成功接收
  chosen := typecheck.Temp(types.Types[types.TINT])
  recvOK := typecheck.Temp(types.Types[types.TBOOL])
  r := ir.NewAssignListStmt(base.Pos, ir.OAS2, nil, nil)
  r.Lhs = []ir.Node{chosen, recvOK}
        // 调用runtime.selectgo()函数作为运行时实际执行多case的select动作的函数
  fn := typecheck.LookupRuntime("selectgo")
  var fnInit ir.Nodes
  r.Rhs = []ir.Node{mkcall1(fn, fn.Type().Results(), &fnInit, bytePtrToIndex(selv, 0), bytePtrToIndex(order, 0), pc0, ir.NewInt(int64(nsends)), ir.NewInt(int64(nrecvs)), ir.NewBool(dflt == nil))}
  init = append(init, fnInit...)
  init = append(init, typecheck.Stmt(r))

  // 执行完selectgo()函数后，销毁selv和order数组.
  init = append(init, ir.NewUnaryExpr(base.Pos, ir.OVARKILL, selv))
  init = append(init, ir.NewUnaryExpr(base.Pos, ir.OVARKILL, order))
  ......

  // 定义一个函数，根据chosen确定的case分支生成if语句，执行该分支的语句
  dispatch := func(cond ir.Node, cas *ir.CommClause) {
    cond = typecheck.Expr(cond)
    cond = typecheck.DefaultLit(cond, nil)

    r := ir.NewIfStmt(base.Pos, cond, nil, nil)

    if n := cas.Comm; n != nil && n.Op() == ir.OSELRECV2 {
      n := n.(*ir.AssignListStmt)
      if !ir.IsBlank(n.Lhs[1]) {
        x := ir.NewAssignStmt(base.Pos, n.Lhs[1], recvOK)
        r.Body.Append(typecheck.Stmt(x))
      }
    }

    r.Body.Append(cas.Body.Take()...)
    r.Body.Append(ir.NewBranchStmt(base.Pos, ir.OBREAK, nil))
    init = append(init, r)
  }
        // 如果多case中有default分支，并且chosen小于0，执行该default分支
  if dflt != nil {
    ir.SetPos(dflt)
    dispatch(ir.NewBinaryExpr(base.Pos, ir.OLT, chosen, ir.NewInt(0)), dflt)
  }
        // 如果有chosen选中的case分支，即chosen等于i，则执行该分支
  for i, cas := range casorder {
    ir.SetPos(cas)
    dispatch(ir.NewBinaryExpr(base.Pos, ir.OEQ, chosen, ir.NewInt(int64(i))), cas)
  }

  return init
}

从对多case的编译器处理逻辑，可以看到分为三个阶段：

第一阶段，生成scase对象数组，定义selv和order数组，selv存放scase数组内存地址，order用来做scase排序使用，对scase数组排序是为了以某种机制选出待执行的case；

第二阶段，编译器生成调用 runtime.selectgo() 的逻辑，selv和order数组作为入参传入selectgo() 函数，同时定义该函数的返回值，chosen 和 recvOK，chosen 表示被选中的case的索引，recvOK表示对于接收操作，是否成功接收；

第三阶段，根据 selectgo 返回值 chosen 来生成 if 语句来执行相应索引的 case。

6）select在多case下调用的运行时selectgo函数怎样实现多channel的选择？

下面开始分析runtime.selectgo()函数的主要逻辑，逻辑流程图如图所示。

selectgo函数处理主逻辑

selectgo函数首先会执行必要的初始化操作，并生成处理case的两种顺序：轮询顺序polIorder和加锁顺序lockorder。

// cas0 指向一个类型为 [ncases]scase 的数组
// order0 是一个指向[2*ncases]uint16,数组中的值都是 0
// 返回值有两个, chosen 和 recvOK，分别表示选中的case的序号，和对接收操作是否接收成功的布尔值
func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, pc0 *uintptr, nsends, nrecvs int, block bool) (int, bool) {
  ......
  // 为了将scase分配到栈上，这里直接给cas1分配了64KB大小的数组，同理， 给order1分配了128KB大小的数组
  cas1 := (*[1 << 16]scase)(unsafe.Pointer(cas0))
  order1 := (*[1 << 17]uint16)(unsafe.Pointer(order0))

        // ncases个数是发送chan个数nsends加上接收chan个数nrecvs
  ncases := nsends + nrecvs
        // scases切片是上面分配cas1数组的前ncases个元素
  scases := cas1[:ncases:ncases]
        // 顺序列表pollorder是order1数组的前ncases个元素
  pollorder := order1[:ncases:ncases]
        // 加锁列表lockorder是order1数组的第二批ncase个元素
  lockorder := order1[ncases:][:ncases:ncases]
  ......

  // 生成排列顺序
  norder := 0
  for i := range scases {
    cas := &scases[i]

    // 处理case中channel为空的情况
    if cas.c == nil {
      cas.elem = nil // 将elem置空，便于GC
      continue
    }
                // 通过fastrandn函数引入随机性，确定pollorder列表中case的随机顺序索引
    j := fastrandn(uint32(norder + 1))
    pollorder[norder] = pollorder[j]
    pollorder[j] = uint16(i)
    norder++
  }
  pollorder = pollorder[:norder]
  lockorder = lockorder[:norder]

  // 根据chan地址确定lockorder加锁排序列表的顺序
  // 通过简单的堆排序，以nlogn时间复杂度完成排序
  for i := range lockorder {
    j := i
    // Start with the pollorder to permute cases on the same channel.
    c := scases[pollorder[i]].c
    for j > 0 && scases[lockorder[(j-1)/2]].c.sortkey() < c.sortkey() {
      k := (j - 1) / 2
      lockorder[j] = lockorder[k]
      j = k
    }
    lockorder[j] = pollorder[i]
  }
  for i := len(lockorder) - 1; i >= 0; i-- {
    o := lockorder[i]
    c := scases[o].c
    lockorder[i] = lockorder[0]
    j := 0
    for {
      k := j*2 + 1
      if k >= i {
        break
      }
      if k+1 < i && scases[lockorder[k]].c.sortkey() < scases[lockorder[k+1]].c.sortkey() {
        k++
      }
      if c.sortkey() < scases[lockorder[k]].c.sortkey() {
        lockorder[j] = lockorder[k]
        j = k
        continue
      }
      break
    }
    lockorder[j] = o
  }
        ......
}

轮询顺序 pollorder 是通过runtime.fastrandn 函数引入随机性；随机的轮询顺序可以避免 channel 的饥饿问题，保证公平性。加锁顺序 lockorder是按照 channel 的地址排序后确定的加锁顺序，这样能够避免死锁的发生。

加锁和解锁调用的是runtime.sellock()函数和runtime.selunlock()函数。从下面的代码逻辑中可以看到，两个函数分别是按lockorder顺序对channel加锁，以及按lockorder逆序释放锁。

func sellock(scases []scase, lockorder []uint16) {
  var c *hchan
  for _, o := range lockorder {
    c0 := scases[o].c
    if c0 != c {
      c = c0
      lock(&c.lock)
    }
  }
}
func selunlock(scases []scase, lockorder []uint16) {
  for i := len(lockorder) - 1; i >= 0; i-- {
    c := scases[lockorder[i]].c
    if i > 0 && c == scases[lockorder[i-1]].c {
      continue 
    }
    unlock(&c.lock)
  }
}

接下来，是selectgo()函数的主处理逻辑，它会分三个阶段查找或等待某个channel准备就绪：首先，根据 pollorder 的顺序查找 scases 是否有可以立即收发的 channel；其次，将当前 goroutine 加入各 case 的 channel 对应的收发队列上并等待其他 goroutine 的唤醒；最后，当前 goroutine 被唤醒之后找到满足条件的 channel 并进行处理；

需要说明的是，runtime.selectgo 函数会根据不同情况通过 goto 语句跳转到函数内部的不同标签执行相应的逻辑。其中包括：bufrecv：可以从channel缓冲区读取数据；bufsend：可以向channel缓冲区写入数据；recv：可以从休眠的发送方获取数据；send：可以向休眠的接收方发送数据；rclose：可以从关闭的 channel 读取 EOF；sclose：向关闭的 channel 发送数据；retc：结束调用并返回；

先看主处理逻辑的第一个阶段，根据 pollorder 的顺序查找 scases 是否有可以立即收发的 channel：

func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, pc0 *uintptr, nsends, nrecvs int, block bool) (int, bool) {
        ......
  sellock(scases, lockorder)
        ......
        // 阶段一: 查找可以处理的channel
  var casi int
  var cas *scase
  var caseSuccess bool
  var caseReleaseTime int64 = -1
  var recvOK bool
  for _, casei := range pollorder {
    casi = int(casei)      // case的索引
    cas = &scases[casi]    // 当前的case
    c = cas.c

    if casi >= nsends { // 处理接收channel的case
      sg = c.sendq.dequeue()
      if sg != nil {  // 如果当前channel的sendq上有等待的goroutine，就会跳到 recv标签并从缓冲区读取数据后将等待goroutine中的数据放入到缓冲区中相同的位置；
        goto recv
      }
      if c.qcount > 0 { //如果当前channel的缓冲区不为空，就会跳到bufrecv标签处从缓冲区获取数据；
        goto bufrecv
      }
      if c.closed != 0 {  //如果当前channel已经被关闭，就会跳到rclose做一些清除的收尾工作；
        goto rclose
      }
    } else {                      // 处理发送channel的case
      ......
      if c.closed != 0 { // 如果当前channel已经被关闭就会直接跳到sclose标签，触发 panic 尝试中止程序；
        goto sclose
      }
      sg = c.recvq.dequeue()
      if sg != nil {  // 如果当前channel的recvq上有等待的goroutine，就会跳到 send标签向channel发送数据；
        goto send
      }
      if c.qcount < c.dataqsiz { // 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；
        goto bufsend
      }
    }
  }
        if !block {  // 如果是非阻塞，即包含default分支，会解锁所有 Channel 并返回
             selunlock(scases, lockorder)
             casi = -1
             goto retc
        }
        ......
}

主要处理逻辑是：

当 case 会从 channel 中接收数据时，如果当前 channel 的 sendq 上有等待的 goroutine，就会跳到 recv 标签并从缓冲区读取数据后将等待 goroutine 中的数据放入到缓冲区中相同的位置；如果当前 channel 的缓冲区不为空，就会跳到 bufrecv 标签处从缓冲区获取数据；如果当前 channel 已经被关闭，就会跳到 rclose 做一些清除的收尾工作。

当 case 会向 channel 发送数据时，如果当前 channel 已经被关闭，就会直接跳到 sclose 标签，触发 panic 尝试中止程序；如果当前 channel 的 recvq 上有等待的 goroutine，就会跳到 send 标签向 channel 发送数据；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 即 block为 false 时；表示前面的所有 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。

如果没有可以立即处理的 channel，则进入主逻辑的下一个阶段，根据需要将当前 goroutine 加入 channel 对应的收发队列上并等待其他 goroutine 的唤醒。

func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, pc0 *uintptr, nsends, nrecvs int, block bool) (int, bool) {
        ......
        // 阶段2: 将当前goroutine根据需要挂在chan的sendq和recvq上
  gp = getg()
  if gp.waiting != nil {
    throw("gp.waiting != nil")
  }
  nextp = &gp.waiting
  for _, casei := range lockorder {  
    casi = int(casei)
    cas = &scases[casi]
    c = cas.c
                // 获取sudog，将当前goroutine绑定到sudog上
    sg := acquireSudog()
    sg.g = gp
    sg.isSelect = true
    sg.elem = cas.elem
    sg.releasetime = 0
    if t0 != 0 {
      sg.releasetime = -1
    }
    sg.c = c
    *nextp = sg
    nextp = &sg.waitlink
                // 加入相应等待队列
    if casi < nsends {
      c.sendq.enqueue(sg)
    } else {
      c.recvq.enqueue(sg)
    }
  }
        ......
        // 被唤醒后会根据 param 来判断是否是由 close 操作唤醒的，所以先置为 nil
        gp.param = nil
        ......
        // 挂起当前goroutine
        gopark(selparkcommit, nil, waitReasonSelect, traceEvGoBlockSelect, 1)
        ......
}

等到 select 中的一些 channel 准备就绪之后，当前 goroutine 就会被调度器唤醒。这时会继续执行 runtime.selectgo 函数的第三部分：

func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, pc0 *uintptr, nsends, nrecvs int, block bool) (int, bool) {
        ......
        // 加锁所有的channel
        sellock(scases, lockorder)

  gp.selectDone = 0
        // param 存放唤醒 goroutine 的 sudog，如果是关闭操作唤醒的，那么就为 nil
  sg = (*sudog)(gp.param)
  gp.param = nil

  casi = -1
  cas = nil
  caseSuccess = false
        // 当前goroutine 的 waiting 链表按照lockorder顺序存放着case的sudog
  sglist = gp.waiting
  // 在从 gp.waiting 取消case的sudog链接之前清除所有元素，便于GC
  for sg1 := gp.waiting; sg1 != nil; sg1 = sg1.waitlink {
    sg1.isSelect = false
    sg1.elem = nil
    sg1.c = nil
  }
        // 清楚当前goroutine的waiting链表，因为被sg代表的协程唤醒了
  gp.waiting = nil

  for _, casei := range lockorder {
    k = &scases[casei]
                // 如果相等说明，goroutine是被当前case的channel收发操作唤醒的
    if sg == sglist {
      // sg唤醒了当前goroutine, 则当前G已经从sg的队列中出队，这里不需要再次出队
      casi = int(casei)
      cas = k
      caseSuccess = sglist.success
      if sglist.releasetime > 0 {
        caseReleaseTime = sglist.releasetime
      }
    } else {
                        // 不是此case唤醒当前goroutine, 将goroutine从此case的发送队列或接收队列出队
      c = k.c
      if int(casei) < nsends {
        c.sendq.dequeueSudoG(sglist)
      } else {
        c.recvq.dequeueSudoG(sglist)
      }
    }
                // 释放当前case的sudog，然后处理下一个case的sudog
    sgnext = sglist.waitlink
    sglist.waitlink = nil
    releaseSudog(sglist)
    sglist = sgnext
  }
        ......
}

这里主要是：首先，先释放当前goroutine的等待队列，因为已经被某个case的sudog唤醒了；其次，遍历全部的case的sudog，找到唤醒当前goroutine的case的索引并返回，后面会根据它做channel的收发操作；最后，剩下的不是唤醒当前goroutine的case，需要将当前goroutine从这些case的发送队列或接收队列出队，并释放这些case的sudog；

selectgo() 函数的最后一些代码，是循环第一阶段用到的跳转标签代码段；

bufsend 和 bufrecv 两个代码段，这两段代码的执行过程都很简单，它们是向 channel 的缓冲区中发送数据或者从缓冲区中获取数据；

两个直接收发 channel 的情况recv、send，会调用运行时函数 runtime.send 和 runtime.recv，这两个函数会与处于休眠状态的 goroutine 打交道；

向关闭的 channel 发送数据或者从关闭的 channel 中接收数据分别是 sclose 和 rclose阶段；sclose，向一个关闭的 channel 发送数据就会直接 panic 造成程序崩溃；rclose，从一个关闭 channel 中接收数据会直接清除 Channel 中的相关内容；retc阶段，退出程序。

bufrecv:
  ......
  recvOK = true
  qp = chanbuf(c, c.recvx)
  if cas.elem != nil {
    typedmemmove(c.elemtype, cas.elem, qp)
  }
  typedmemclr(c.elemtype, qp)
  c.recvx++
  if c.recvx == c.dataqsiz {
    c.recvx = 0
  }
  c.qcount--
  selunlock(scases, lockorder)
  goto retc

bufsend:
  ......
  typedmemmove(c.elemtype, chanbuf(c, c.sendx), cas.elem)
  c.sendx++
  if c.sendx == c.dataqsiz {
    c.sendx = 0
  }
  c.qcount++
  selunlock(scases, lockorder)
  goto retc

recv:
  // 可以直接从休眠的goroutine获取数据
  recv(c, sg, cas.elem, func() { selunlock(scases, lockorder) }, 2)
  ......
  recvOK = true
  goto retc

rclose:
  //从一个关闭 channel 中接收数据会直接清除 Channel 中的相关内容；
  selunlock(scases, lockorder)
  recvOK = false
  if cas.elem != nil {
    typedmemclr(c.elemtype, cas.elem)
  }
  ......
  goto retc

send:
  ......
        // 可以直接从休眠的goroutine获取数据
  send(c, sg, cas.elem, func() { selunlock(scases, lockorder) }, 2)
  if debugSelect {
    print("syncsend: cas0=", cas0, " c=", c, "\n")
  }
  goto retc

retc:
        // 退出selectgo()函数
  if caseReleaseTime > 0 {
    blockevent(caseReleaseTime-t0, 1)
  }
  return casi, recvOK

sclose:
  // 向一个关闭的 channel 发送数据就会直接 panic 造成程序崩溃；
  selunlock(scases, lockorder)
  panic(plainError("send on closed channel"))

总结

综合上面的分析，总结如下：

编译器会对select有不同的case的情况进行优化以提高性能。首先，编译器对select没有case、有单case和单case+default的情况进行单独处理，这些处理或者直接调用运行时函数，或者直接转成对channel的操作，或者以非阻塞的方式访问channel，多种灵活的处理方式能够提高性能，尤其是避免对channel的加锁。

对最常出现的select有多case的情况，会调用runtime.selectgo()函数来获取执行case的索引，并生成 if 语句执行该case的代码。

selectgo函数的执行分为四个步骤：首先，随机生成一个遍历case的轮询顺序 pollorder 并根据 channel 地址生成加锁顺序 lockorder，随机顺序能够避免channel饥饿，保证公平性，加锁顺序能够避免死锁和重复加锁；然后，根据 pollorder 的顺序查找 scases 是否有可以立即收发的channel，如果有则获取case索引进行处理；再次，如果pollorder顺序上没有可以直接处理的case，则将当前 goroutine 加入各 case 的 channel 对应的收发队列上并等待其他 goroutine 的唤醒；最后，当调度器唤醒当前 goroutine 时，会再次按照 lockorder 遍历所有的case，从中查找需要被处理的case索引进行读写处理，同时从所有case的发送接收队列中移除掉当前goroutine。

你可能感兴趣的腾讯工程师作品

| 一文读懂Go函数调用

| 内存泄露？腾讯工程师2个压箱底的方法工具

| 十亿人都在用的健康码，运维体系是怎么设计的

| 将云原生进行到底：腾讯百万级别容器云平台实践揭秘

技术盲盒：前端｜后端｜AI与算法｜运维｜工程师文化

后台回复“GO资料”，领本文作者推荐的更多资料

相关文章