go select原理

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1. 前言
2. 一些常见使用场景
3. 实现原理
- 3.1程序结构
- 3.2 select实现逻辑
4. 总结

1. 前言

select是Golang在语言层面提供的多路IO复用的机制，可以检测多个channel是否准备就绪(即是否可读或可写)。

本节试图通过源码总结其实现原理，从而发现一些使用误区或解释一些不常见的现象

2. 一些常见使用场景

当程序中使用多个case语句时，会随机选择一个进行执行
```
package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func main() {
    chan1 := make(chan int)
    chan2 := make(chan int)

    go func() {
        chan1 <- 1
        time.Sleep(5 * time.Second)
    }()

    go func() {
        chan2 <- 1
        time.Sleep(5 * time.Second)
    }()

    select {
    case <-chan1:
        fmt.Println("chan1 ready.")
    case <-chan2:
        fmt.Println("chan2 ready.")
    default:
        fmt.Println("default")
    }

    fmt.Println("main exit.")
}
```
代码中，声明两个channel， chan1,chan2, 一次启动两个goroutine,分别向两个chan中写入一个数据后sleep。select语句的两个case分别坚持chan1,chan2是否可读，default用来执行默认语句

多次运行发现：select 中各个case执行顺序时随机的 ，如果某个case中的channel已经ready，则执行相应的语句并退出select流程

如果所有case中的channel都未ready，则执行default中的语句然后退出select流程。

另外，由于启动的 协程和select语句并不能保证执行顺序，所以也有可能select执行时协程还未向channel中写入数据，所以select直接执行default语句并退出。所以，以下三种输出都有可能：

可能的输出：
```
# 可能的输出1
chan1 ready.
main exit.

# 可能的输出2
chan2 ready.
main exit.

# 可能的输出3
default
main exit.
```

当select多个case,没有default分支时，如果每一个case都没有准备好，select语句将处于永远阻塞状态。

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func main() {
    chan1 := make(chan int)
    chan2 := make(chan int)

    writeFlag := false
    go func() {
       
        for {
             // 由于withFlag永远为false，所以chan1 永远不会有值写入
            if writeFlag {
                chan1 <- 1
            }
            time.Sleep(time.Second)
        }
    }()

    go func() {
        for {
            if writeFlag {
                chan2 <- 1
            }
            time.Sleep(time.Second)
        }
    }()

    select {
    // chan虽然准备好了接收操作，但是由于无数据写入，所以次case处于阻塞
    case <-chan1: 
        fmt.Println("chan1 ready.")
    // chan2同1一样，也处于阻塞
    case <-chan2:
        fmt.Println("chan2 ready.")
    }

    fmt.Println("main exit.")
}

说明: 见代码注释，程序会一直处于阻塞状态，没有任何输出

关闭通道后，也能继续读取通道里的数据，不会报错，对于有缓存的通道channel，读取的是最先传入的数据，对于无缓冲的通道如果缓冲种没有数据，会读取通道类型的零值。

package main

import (
    "fmt"
)

func main() {
    chan1 := make(chan int)
    chan2 := make(chan int)

    go func() {
        close(chan1)
    }()

    go func() {
        close(chan2)
    }()

    select {
    case <-chan1:
        fmt.Println("chan1 ready.")
    case <-chan2:
        fmt.Println("chan2 ready.")
    }

说明：会随机输出

当程序种没有协程运行时空的select会引起异常，如果有协程，则可以阻止程序退出，使程序处于挂起状态

package main

func main() {
   
    select {
    }
}

说明：程序会报错

package main

import "fmt"
import "time"

func main() {
    go func(){
        count:=1
        for {
            count++
            time.sleep(time.Second)
            fmt.Println("count:",count)
        }
    }()   
    select {}
}

说明：程序不会退出，程序以deamon模式一直后台运行

3. 实现原理

golang实现select时，定义了一个数据结构表示每个case语句(含defaut，default实际上是一种特殊的case)，select执行过程可以类比成一个函数，函数输入case数组，输出选中的case，然后程序流程转到选中的case块

3.1程序结构

源码包src/runtime/select.go:scase定义了表示case语句的数据结构：

type scase struct {
    c           *hchan         // chan
    kind        uint16
    elem        unsafe.Pointer // data element
}

scase.c为当前case语句所操作的channel指针，这也说明了一个case语句只能操作一个channel。
scase.kind表示该case的类型，分为读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
scase.elem表示缓冲区地址，根据scase.kind不同，有不同的用途：
- 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；

3.2 select实现逻辑

源码包src/runtime/select.go:selectgo()定义了select选择case的函数：

func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, ncases int) (int, bool)

函数参数：

cas0为scase数组的首地址，selectgo()就是从这些scase中找出一个返回。
order0为一个两倍cas0数组长度的buffer，保存scase随机序列pollorder和scase中channel地址序列lockorder
- 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

函数返回值：

int: 选中case的编号，这个case编号跟代码一致
bool: 是否成功从channle中读取了数据，如果选中的case是从channel中读数据，则该返回值表示是否读取成功。

selectgo实现伪代码如下：

func selectgo(cas0 *scase, order0 *uint16, ncases int) (int, bool) {
    //1. 锁定scase语句中所有的channel
    //2. 按照随机顺序检测scase中的channel是否ready
    //   2.1 如果case可读，则读取channel中数据，解锁所有的channel，然后返回(case index, true)
    //   2.2 如果case可写，则将数据写入channel，解锁所有的channel，然后返回(case index, false)
    //   2.3 所有case都未ready，则解锁所有的channel，然后返回（default index, false）
    //3. 所有case都未ready，且没有default语句
    //   3.1 将当前协程加入到所有channel的等待队列
    //   3.2 当将协程转入阻塞，等待被唤醒
    //4. 唤醒后返回channel对应的case index
    //   4.1 如果是读操作，解锁所有的channel，然后返回(case index, true)
    //   4.2 如果是写操作，解锁所有的channel，然后返回(case index, false)
}

特别说明：对于读channel的case来说，如case elem, ok := <-chan1:, 如果channel有可能被其他协程关闭的情况下，一定要检测读取是否成功，因为close的channel也有可能返回，此时ok == false。