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Go 语言 select 的实现原理

article 2025/1/19 6:49:29

介绍

select是Go在语言层面提供的I/O多路复用的机制，其专门用来让Goroutine同时等待多个channel是否准备完毕:可读或可写。在Channel状态改变之前，select会一直阻塞当前线程或者goroutine。

特性：

case 必须是一个通信操作，主要是指对通道（Channel）进行发送或者接收数据的操作。

select 语句中除 default 外，各 case 执行顺序是随机的。

select 语句中如果没有 default 语句，则会阻塞等待任意一个 case满足执行条件。

select 语句中除 default 外，每个 case 只能操作一个 channel，要么读要么写。

当 select 中的多个 case 同时被触发时，会随机执行其中的一个。

普通多线程

多路复用

数据结构

select在Go语言的源代码中不存在对应的结构体，使用runtime.scase 结构体表示select控制结构里的case。

type scase struct {
	c    *hchan                    //case操作的通道     
 
    kind  uint16
    //表示该case的类型，分为读channel、写channel和default。
    //读channel、写channel和default三种类型分别由常量定义
    //caseRecv：case语句中尝试读取scase.c中的数据。
    //caseSend：case语句中尝试向scase.c中写入数据。
    //caseDefault：default语句。
    
                                 
	elem unsafe.Pointer 
    //scase.kind == caseRecv ： scase.elem表示读出channel的数据存放地址；
    //scase.kind == caseSend ： scase.elem表示将要写入channel的数据存放地址；
}

在select语句运行时，scase结构体的实例会被用来表示每个case。运行时根据c 字段找到对应的通道，根据elem字段来处理数据的发送或接收操作。

执行流程

实现过程和结果（穿插编译器的重写和优化）

单分支的select

只有一个 case 且不是 default，这种情况编译器会直接将其翻译成对管道的收发操作，并且还是阻塞式的，一直阻塞到操作可以完成。

对于接收操作（如 case val := <-ch），它会被转换为 val := <-ch，直接尝试从通道 ch 接收数据。

对于发送操作（如 case ch <- value）,它会被转换为 ch <- value，直接尝试向通道 ch 发送数据。

只包含default分支会直接执行default操作。

多路select

在编译器中会被转换为runtime.selectgo函数调用。

func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, , ncases int) (int, bool) {
    pollorder := order1[:ncases:ncases]
    lockorder := order1[ncases:][:ncases:ncases]
    for i := 1; i < ncases; i++ {
        j := fastrandn(uint32(i + 1))
        pollorder[i] = pollorder[j]
        pollorder[j] = uint16(i)
    }
    // 代码可能继续执行后续操作
}

cas0，scase数组的头部指针，前半部分存放的是写管道 case，后半部分存放的读管道 case，以nsends来区分
order0，它的长度是scase数组的两倍，前半部分分配给pollorder数组（决定管道执行顺序），后半部分分配给lockorder数组（决定管道锁定顺序）
pollorder：每次selectgo执行都会把scase序列打乱，以达到随机检测case的目的。
lockorder：所有case语句中channel序列，以达到去重防止对channel加锁时重复加锁的目的。
ncases表示scase数组的长度

直接阻塞

1. select结构不包含任何case

在Go编译器内部的代码如下

func walkselectcases(cases *Nodes) []*Node {
	n := cases.Len()

	if n == 0 {
		return []*Node{mkcall("block", nil, nil)}
	}
	...
}

func block() {
	gopark(nil, nil, waitReasonSelectNoCases, traceEvGoStop, 1)
}

walkselectcases的参数是一个select语句中的case元素的集合。当集合的长度为0时，表示当前select中无case会调用block函数，block函数会调用gopark让出goroutine对处理器的使用权并传入等待原因，暂停goroutine避免CPU空转。

2.当case中的channel是空指针

例：包含一个case且case中的channel是空指针，编译器会将select改写为if条件语句

//部分代码
if ch == nil {
    block()调用block，将goroutine陷入永久休眠
}

非阻塞操作

当select中包含default分支时，就会被编译器认为是一次非阻塞的收发操作。

示例：一个case分支一个default分支，对通道的读写操作

示例：一个case分支一个default分支，对通道的读写操作

写操作：编译器会使用条件语句和 runtime.selectnbsend 函数改写代码

//改写
if selectnbsend(ch, i) {
    ...
} else {
    ...
}
//false参数决定了这一次的发送是非阻塞的，所以如果存在缓冲区空间不足时，当前 Goroutine 都不会阻塞而是会直接返回。
func selectnbsend(c *hchan, elem unsafe.Pointer) (selected bool) {
	return chansend(c, elem, false, getcallerpc())
}

读操作：

// 改写前
select {
case v <- ch: // case v, ok <- ch:
    ......
default:
    ......
}

// 改写后
if selectnbrecv(&v, ch) { // if selectnbrecv2(&v, &ok, ch) {
    ...
} else {
    ...
}
//看读操作是否需要，第一个会忽略返回的布尔值，第二个会将布尔值传给调用方，block参数决定本次操作不阻塞
func selectnbrecv(elem unsafe.Pointer, c *hchan) (selected bool) {
	selected, _ = chanrecv(c, elem, false)
	return
}

func selectnbrecv2(elem unsafe.Pointer, received *bool, c *hchan) (selected bool) {
	selected, *received = chanrecv(c, elem, false)
	return
}