Как устроены каналы в Go?

Каналы в Go - это средство синхронизации горутин и передачи данных между ними. Они основаны на парадигме CSP (Communicating Sequential Processes).

Ключевые особенности:

• Типизированность: Канал может передавать данные только определенного типа.
• Синхронизация: Операции отправки (<-chan) и приема (chan<-) на канале блокируются до тех пор, пока не будет соответствующая операция от другой горутины.
• Буферизация: Каналы могут быть небуферизованными (емкость 0) или буферизованными (емкость > 0).
  • Небуферизованный канал: отправитель ждет, пока получатель готов принять, и наоборот.
  • Буферизованный канал: отправитель может отправить данные до заполнения буфера, не дожидаясь получателя. Получатель может получить данные из буфера, не дожидаясь отправителя.

Внутреннее устройство (на нижнем уровне):

Канал представляется структурой hchan в среде выполнения Go, которая включает:

• qcount: текущее количество элементов в буфере.
• dataqsiz: размер буфера (емкость канала).
• buf: указатель на кольцевой буфер для хранения данных.
• elemsize: размер одного элемента данных в буфере.
• elemtype: тип элементов данных.
• sendx: индекс следующего места для отправки в буфере.
• recvx: индекс следующего места для приема в буфере.
• recvq: очередь горутин, ожидающих приема.
• sendq: очередь горутин, ожидающих отправки.
• lock: мьютекс для защиты структуры канала от одновременного доступа нескольких горутин.

Операции с каналами:

Отправка: channel <- value Прием: value := <-channel или value, ok := <-channel

Типы каналов:

• Небуферизованные: make(chan int)
• Буферизованные: make(chan int, 10) (емкость 10)

Закрытие канала:

Функция close(ch) используется для сигнализации, что данных больше не будет отправляться. Попытка отправить в закрытый канал вызовет панику. Получение из закрытого канала вернет нулевое значение типа и ok будет false.

// Пример использования небуферизованного канала
func main() {
	messages := make(chan string)

	go func() {
		messages <- "hello" // Отправка блокируется до приема
	}()

	msg := <-messages // Прием блокируется до отправки
	fmt.Println(msg)
}

// Пример использования буферизованного канала
func main() {
	messages := make(chan string, 2) // Буфер на 2 элемента

	messages <- "hello" // Отправка не блокируется, буфер не полный
	messages <- "world" // Отправка не блокируется, буфер не полный
	// messages <- "!!!" // Эта отправка заблокируется, буфер полный

	fmt.Println(<-messages) // Прием не блокируется
	fmt.Println(<-messages) // Прием не блокируется
}

// Пример закрытия канала и проверки на закрытие
func main() {
	jobs := make(chan int, 5)
	done := make(chan bool)

	go func() {
		for {
			j, more := <-jobs
			if more {
				fmt.Println("received job", j)
			} else {
				fmt.Println("received all jobs")
				done <- true
				return
			}
		}
	}()

	for j := 1; j <= 3; j++ {
		jobs <- j
		fmt.Println("sent job", j)
	}
	close(jobs) // Закрытие канала

	<-done // Ждем завершения горутины-получателя
}