前语

在前面文章咱们介绍过Channel的运用，Channel主要用于协程间的通讯，相比于Flow，它仍是热的，即不管有没有顾客，它都会往Channel中发射数据，即发射端一向会作业，就和一位热情的服务员相同。

那本篇文章，就来解析一波Channel的原理，看看是怎么完结在协程间通讯的，以及探求”热”的原因。

正文

咱们仍是以简略比方下手，来逐渐剖析。

`Channel()`顶层函数

咱们创立一个没有缓存容量的Channel，如下：

fun main()  {
    val scope = CoroutineScope(Job())
    //创立管道，都运用默许参数
    val channel = Channel<Int>()
    scope.launch {
        //在一个独自的协程傍边发送管道音讯
        repeat(3)  {
            channel.send(it)
            println("Send: $it")
        }
        channel.close()
    }
    scope.launch {
        //在一个独自的协程傍边接纳管道音讯
        repeat(3) {
            val result = channel.receive()
            println("Receive $result")
        }
    }
    println("end")
    Thread.sleep(2000000L)
}
/*
输出成果：
end
Receive 0
Send: 0
Send: 1
Receive 1
Receive 2
Send: 2
*/

在这儿会发现输出成果是替换履行的，这是由于Channel的send和receive是挂起函数，而默许参数创立的Channel是没有缓存容量的，所以调用完send后，假如没有顾客来消费，就会挂起；同理receive也是如此，这些知识点咱们在之前学习Channel文章时，现已说过这些特性了。

再结合挂起函数的实质，这种替换履行的输出成果，我信任都能理解。本篇文章，就来探索一下，Channel到底是怎么完结的。

和咱们之前剖析的CoroutineScope、Job等相似，Channel()也是一个顶层函数充当结构函数运用的事例，该办法代码如下：

//顶层函数充当结构函数运用
public fun <E> Channel(
    //容量
    capacity: Int = RENDEZVOUS,
    //背压战略
    onBufferOverflow: BufferOverflow = BufferOverflow.SUSPEND,
    //元素投递失利回调
    onUndeliveredElement: ((E) -> Unit)? = null
): Channel<E> =
    when (capacity) {
        //依据容量分类
        RENDEZVOUS -> {
            //默许参数下，所创立的Channel
            if (onBufferOverflow == BufferOverflow.SUSPEND)
                RendezvousChannel(onUndeliveredElement)
            else
                //背压战略对错挂起情况下的完结
                ArrayChannel(1, onBufferOverflow, onUndeliveredElement) 
        }
        CONFLATED -> {
            ...
            ConflatedChannel(onUndeliveredElement)
        }
        UNLIMITED -> LinkedListChannel(onUndeliveredElement) 
        //容量为2，默许也是ArrayChannel
        BUFFERED -> ArrayChannel(
            if (onBufferOverflow == BufferOverflow.SUSPEND) CHANNEL_DEFAULT_CAPACITY else 1,
            onBufferOverflow, onUndeliveredElement
        )
        //其他自界说容量
        else -> {
            if (capacity == 1 && onBufferOverflow == BufferOverflow.DROP_OLDEST)
                ConflatedChannel(onUndeliveredElement) 
            else
                ArrayChannel(capacity, onBufferOverflow, onUndeliveredElement)
        }
    }

由该顶层函数咱们能够看出，依据咱们所传入的参数不同，会创立不同的Channel实例，比方RendezvousChannel、ArrayChannel等，咱们等会以默许的RendezvousChannel为例来剖析。

这儿有个小知识点，便是onUndeliveredElement参数，这儿运用函数类型，即契合Kotlin的语法规矩，又不用创立剩余接口。

但是(E) -> Unit这种函数类型是否会形成误解呢？由于究竟丢失的元素能够用这个函数类型表明，那我再界说一个抵达元素的回调呢，是不是也能够界说为(E) -> Unit。为了防止形成这种误解，咱们看看是怎么完结的，咱们看看RendezvousChannel的界说：

internal open class RendezvousChannel<E>(onUndeliveredElement: OnUndeliveredElement<E>?) : AbstractChannel<E>(onUndeliveredElement)

会发现这儿参数类型居然是OnUndeliveredElement，这就很容易了解了。这儿难道是界说了接口吗？咱们查看一下：

internal typealias OnUndeliveredElement<E> = (E) -> Unit

能够发现这儿仅仅给类型起了一个别名，经过typealias能够给一些容易形成了解紊乱的函数类型起个姓名，这个小知识点，在实际事务中，仍是蛮有用的。

回到主线，咱们来剖析RendezvousChannel的承继联系：

//该类承继至AbstractChannel
internal open class RendezvousChannel<E>(onUndeliveredElement: OnUndeliveredElement<E>?) : 
    AbstractChannel<E>(onUndeliveredElement)

//承继至AbstractSendChannel类，完结Channel接口
internal abstract class AbstractChannel<E>(
    onUndeliveredElement: OnUndeliveredElement<E>?
) : AbstractSendChannel<E>(onUndeliveredElement), Channel<E>

//完结SendChannel接口
internal abstract class AbstractSendChannel<E>(
    @JvmField protected val onUndeliveredElement: OnUndeliveredElement<E>?
) : SendChannel<E>

//Channel接口，承继至SendChannel和ReceiveChannel接口
public interface Channel<E> : SendChannel<E>, ReceiveChannel<E>

乍一看，这儿的接口和笼统类界说的有点复杂，但是咱们稍微剖析一下，就会发现这样界说挺合理：

首先便是一个最基础的问题，接口和笼统类的差异？

从面向对象解读来看，以及运用角度来剖析，接口是倾向于束缚公共的功用，或许给一个类添加额外的功用，某个类完结了接口，它就有了一些额外的能力行为。一起束缚了该类，有这些功用。

比方这儿的SendChannel接口，就表明一个管道发送方，所以它束缚了一些一致操作：send、trySend等。

而笼统类，更多的是公共代码的抽取，或许一个笼统事务的根本完结。比方这儿的AbstractChannel<E>就代表传递E类型的笼统管道完结，在里面完结了大多数的公共函数功用。
这儿Channel接口，承继至SendChannel和ReceiveChannel，即把发送端和接纳端给分开了，依据接口的界说，Channel便是具有发送端和接纳端的管道。
这儿AbstractChannel代表发送方的笼统完结或许公共完结，结构函数的参数能够接纳发送失利的回调处理。

搞理解这几个笼统类，咱们接下来就很好剖析了。

`LockFreeLinkedList`简析

首先是AbstractChannel，为什么发送端独自需求抽离出一个笼统类呢？这也是由于，发送端的逻辑比较复杂，一起它还也是Channel是线程安全的核心完结点。

在AbstractChannel中，有下面一个变量：

internal abstract class AbstractSendChannel<E>(
    @JvmField protected val onUndeliveredElement: OnUndeliveredElement<E>?
) : SendChannel<E> {
    protected val queue = LockFreeLinkedListHead()
    ...

能够发现这是一个queue，即行列，一起它仍是一个线程安全的行列，从LockFreeLinkedList就能够看出，它是一个没有运用锁Lock的LinkedList。

//Head仅仅一个岗兵节点
public actual open class LockFreeLinkedListHead : LockFreeLinkedListNode()

//线程安全的双向链表
public actual open class LockFreeLinkedListNode {
    private val _next = atomic<Any>(this) // Node | Removed | OpDescriptor
    private val _prev = atomic(this) // Node to the left (cannot be marked as removed)
    private val _removedRef = atomic<Removed?>(null)

关于这个数据结构，这儿不做过多剖析，等后边有时间能够专门研究一下，这个线程安全的数据结构，有如下特色：

它是一个双向链表结构，按理说双向链表的插入能够从头或许尾都是能够的，但是在这儿，界说了插入只能是尾部，即右边；而获取元素，只能从头部，即左面。
它有一个岗兵节点，岗兵节点是不存储数据的，它的next节点是数据节点的头节点，它的pre节点是数据节点的尾节点，当数据节点为空时，仍旧有岗兵节点。
该数据结构中，保存数据运用了atomic，即CAS技术，这样能够保证这个链表的操作是线程安全的。

到这儿，咱们现已知道了在AbstractChannel中存在一个线程安全的双向行列，至于节点保存的数据是什么，后边待会再剖析。

`send`流程剖析

咱们以文章开端的测试代码为例，当调用send(0)时，完结办法便是AbstractChannel中：

//发送数据
public final override suspend fun send(element: E) {
    // fast path -- try offer non-blocking
    if (offerInternal(element) === OFFER_SUCCESS) return
    // slow-path does suspend or throws exception
    //挂起函数
    return sendSuspend(element)
}

在该办法中，有2个分支，当offerInternal办法回来成果为OFFER_SUCCESS时，就直接return，否则调用挂起发送函数sendSuspend。

看到这个offerInternal(element)办法，我信任肯定会立马和前面所说的行列结合起来，由于offer这个单词就归于行列中的一种术语，表明添加的意思，和add相同，但是回来值不相同。

所以咱们能够大致猜出该办法作用：把element添加到行列中，假如添加成功，则直接回来，否则则挂起。咱们来看看offerInternal()办法：

//测验往buffer中添加元素，或许给顾客添加元素
protected open fun offerInternal(element: E): Any {
    while (true) {
        val receive = takeFirstReceiveOrPeekClosed() ?: return OFFER_FAILED
        val token = receive.tryResumeReceive(element, null)
        if (token != null) {
            assert { token === RESUME_TOKEN }
            receive.completeResumeReceive(element)
            return receive.offerResult
        }
    }
}

该办法会往buffer中或许顾客添加数据，会成功回来数据，或许添加失利。

依据前面咱们设置的是默许Channel，是没有buffer的，且没有调用receive，即也没有顾客，所以这儿会直接回来OFFER_FAILED。

所以咱们履行流程跳转到sendSuspend:

//send的挂起函数
private suspend fun sendSuspend(element: E): Unit = suspendCancellableCoroutineReusable sc@ { cont ->
    loop@ while (true) {
        //buffer是否已满，本例中，是满的
        if (isFullImpl) {
            //封装为SendElement
            val send = if (onUndeliveredElement == null)
                SendElement(element, cont) else
                SendElementWithUndeliveredHandler(element, cont, onUndeliveredElement)
            //入队    
            val enqueueResult = enqueueSend(send)
            when {
                enqueueResult == null -> { // enqueued successfully
                    cont.removeOnCancellation(send)
                    return@sc
                }
                enqueueResult is Closed<*> -> {
                    cont.helpCloseAndResumeWithSendException(element, enqueueResult)
                    return@sc
                }
                enqueueResult === ENQUEUE_FAILED -> {} // try to offer instead
                enqueueResult is Receive<*> -> {} // try to offer instead
                else -> error("enqueueSend returned $enqueueResult")
            }
        }
       ...
    }
}

这便是send的挂起函数办法完结，剖析：

这儿运用suspendCancellableCoroutineReusable挂起函数，和咱们之前所说的suspendCancellableCoroutine{}高阶函数相同，归于能接触到的最底层完结挂起函数的办法了，其间cont便是用来向挂起函数外部传递数据。
在完结体中，首先判断isFullImpl即是否满了，由于本例测试代码的Channel是没有容量的，所以是满的。
然后把element和cont封装为SendElement对象，这儿的element便是咱们之前所发送的0，而continuation则代表后续的操作。

这个SendElement类界说如下：

//发送元素
internal open class SendElement<E>(
   override val pollResult: E,
   @JvmField val cont: CancellableContinuation<Unit>
) : Send() {
   override fun tryResumeSend(otherOp: PrepareOp?): Symbol? {
       val token = cont.tryResume(Unit, otherOp?.desc) ?: return null
       assert { token === RESUME_TOKEN } // the only other possible result
       // We can call finishPrepare only after successful tryResume, so that only good affected node is saved
       otherOp?.finishPrepare() // finish preparations
       return RESUME_TOKEN
   }
   override fun completeResumeSend() = cont.completeResume(RESUME_TOKEN)
   override fun resumeSendClosed(closed: Closed<*>) = cont.resumeWithException(closed.sendException)
   override fun toString(): String = "$classSimpleName@$hexAddress($pollResult)"
}

从这儿咱们能够看出，这个Element便是把要发送的元素和Continuation给包装起来，而前面所说的双向链表中的元素也便是这种Element。

接着调用enqueueSend办法，把上面这个Element入队，依据该办法的回来值界说，这儿会回来null，表明插入成功。
然后当入队成功时，会调用下面代码块：

enqueueResult == null -> { // enqueued successfully
   cont.removeOnCancellation(send)
   return@sc
}

这儿先是给cont设置了一个监听：

//给CancellableContinuation设置监听
internal fun CancellableContinuation<*>.removeOnCancellation(node: LockFreeLinkedListNode) =
    invokeOnCancellation(handler = RemoveOnCancel(node).asHandler)

//当Continuation被撤销时，节点主动从行列中remove掉
private class RemoveOnCancel(private val node: LockFreeLinkedListNode) : BeforeResumeCancelHandler() {
    override fun invoke(cause: Throwable?) { node.remove() }
    override fun toString() = "RemoveOnCancel[$node]"
}

这个监听作用便是当Continuation履行完结或许被撤销时，该节点能够从双向行列中被移除。

然后便是return@sc，这儿是不是很疑惑呢？在曾经咱们完结挂起函数时，都是经过continuation的resume办法来传递挂起函数的值，一起也是康复的过程，这儿居然没有康复。那这个挂起函数该什么时候康复呢？Channel是怎么来康复的呢？

`receive`流程剖析

咱们接着剖析，其实便是当调用receive()的时候。

receive()的完结，依据前面剖析便是在AbstractChannel中：

//接纳办法的完结
public final override suspend fun receive(): E {
    // fast path -- try poll non-blocking
    val result = pollInternal()
    @Suppress("UNCHECKED_CAST")
    if (result !== POLL_FAILED && result !is Closed<*>) return result as E
    // slow-path does suspend
    return receiveSuspend(RECEIVE_THROWS_ON_CLOSE)
}

这儿同样是相似的逻辑，首先是pollInternal办法，这儿的poll同样和offer相同，归于行列的术语，有轮询的意思，和remove相似的意思，所以该办法便是从行列中取出元素，咱们来看看完结：

//测验从buffer或许发送端中取出元素
protected open fun pollInternal(): Any? {
    while (true) {
        //取出SendElement
        val send = takeFirstSendOrPeekClosed() ?: return POLL_FAILED
        //注释1
        val token = send.tryResumeSend(null)
        if (token != null) {
            assert { token === RESUME_TOKEN }
            //注释2
            send.completeResumeSend()
            return send.pollResult
        }
        // too late, already cancelled, but we removed it from the queue and need to notify on undelivered element
        send.undeliveredElement()
    }
}

依据前面咱们send的流程，这时能够成功取出咱们之前入队的SendElement对象，然后调用注释2处的send.completeResumeSend()办法：

override fun completeResumeSend() = cont.completeResume(RESUME_TOKEN)

这儿会调用continuation的completeResume办法，这儿就需求结合前面文章所说的原理了，其实这个continuation便是状态机，它会回调CancellableContinuationImpl中的completeResume:

override fun completeResume(token: Any) {
    assert { token === RESUME_TOKEN }
    dispatchResume(resumeMode)
}

而该类的承继联系：

internal open class CancellableContinuationImpl<in T>(
    final override val delegate: Continuation<T>,
    resumeMode: Int
) : DispatchedTask<T>(resumeMode), CancellableContinuation<T>, CoroutineStackFrame

这儿相关的类，咱们在线程调度那篇文章中有所提及，这儿的dispatchResume:

private fun dispatchResume(mode: Int) {
    if (tryResume()) return // completed before getResult invocation -- bail out
    // otherwise, getResult has already commenced, i.e. completed later or in other thread
    dispatch(mode)
}

internal fun <T> DispatchedTask<T>.dispatch(mode: Int) {
    ...
        if (dispatcher.isDispatchNeeded(context)) {
            dispatcher.dispatch(context, this)
        }
        ...
}

这儿终究会调用dispatcher.dispatch()办法，而这个咱们在之前调度器文章说过，这个最终会在Java 线程池上履行，从而开端状态机。

既然该状态机康复了，也便是前面send流程中的挂起也康复了。

当send挂起函数康复后，再经过

return send.pollResult

就能够获取咱们之前发送的值0了。

同样的，当pollInternal办法中，无法poll出SendElement，则会调用receiveSuspend挂起办法：

private suspend fun <R> receiveSuspend(receiveMode: Int): R = suspendCancellableCoroutineReusable sc@ { cont ->
    val receive = if (onUndeliveredElement == null)
        ReceiveElement(cont as CancellableContinuation<Any?>, receiveMode) else
        ReceiveElementWithUndeliveredHandler(cont as CancellableContinuation<Any?>, receiveMode, onUndeliveredElement)
    while (true) {
        if (enqueueReceive(receive)) {
            removeReceiveOnCancel(cont, receive)
            return@sc
        }
        // hm... something is not right. try to poll
        val result = pollInternal()
        if (result is Closed<*>) {
            receive.resumeReceiveClosed(result)
            return@sc
        }
        if (result !== POLL_FAILED) {
            cont.resume(receive.resumeValue(result as E), receive.resumeOnCancellationFun(result as E))
            return@sc
        }
    }
}

和send相似，这儿也会封装为ReceiveElement，一起入队到行列中，等待着send办法来康复这个协程。

“热”的探求

剖析完默许的Channel的发送和接纳，咱们来探求一下为什么Channel是热的。

这儿所说的热是由于Channel会在不管有没有接纳者的情况下，都会履行发送端的操作，当战略为Suspend时，它会一向持续到管道容量满。

这儿咱们仍是拿之前文章的比方：

fun main() = runBlocking {
    //创立管道 val channel = produce(capacity = 10) { 
        (1 .. 3).forEach { 
            send(it) 
            logX("Send $it") 
            } 
      } 
logX("end") }

这儿尽管没有调用receive办法，即没有顾客，send仍旧会履行，也便是”热”的。

依据前面所说的Channel()顶层函数源码，这儿容量为10，战略不变，终究会创立出ArrayChannel实例。

该类界说：

internal open class ArrayChannel<E>(
    /**
     * Buffer capacity.
     */
    private val capacity: Int,
    private val onBufferOverflow: BufferOverflow,
    onUndeliveredElement: OnUndeliveredElement<E>?
) : AbstractChannel<E>(onUndeliveredElement)

这儿同样是AbstractChannel的子类，所以send办法仍是仍旧：

public final override suspend fun send(element: E) {
    // fast path -- try offer non-blocking
    if (offerInternal(element) === OFFER_SUCCESS) return
    // slow-path does suspend or throws exception
    return sendSuspend(element)
}

仍是先测验往行列中offer数据，当无法offer时，履行挂起；但是这儿的offerInternal办法在ArrayChannel中被重写了：

//ArrayChannel中的办法
protected override fun offerInternal(element: E): Any {
    //接纳者
    var receive: ReceiveOrClosed<E>? = null
    //当多个线程都一起调用该办法时，为了容量安全，这儿进行加锁
    lock.withLock {
        //元素个数
        val size = this.size.value
        //发送现已关闭，直接回来
        closedForSend?.let { return it }
        // update size before checking queue (!!!)
        //在入队之前，更新管道容量，当元素小于管道容量，回来null
        //只有管道中的元素个数，大于管道容量时，该办法才会return
        //依据战略，会回来挂起或许丢弃或许失利等
        updateBufferSize(size)?.let { return it }
        ...
        //容量没满时，把元素入队
        enqueueElement(size, element)
        //回来入队成功
        return OFFER_SUCCESS
    }
    ...
}

在这儿咱们能够发现，不管有没有接纳者的情况下，当咱们屡次调用send办法，当行列没满时，在这儿都会回来OFFER_SUCCESS，即发送端现已在作业了，所以也便是咱们所说的热的作用。

总结

Channel作为线程安全的管道，能够在协程之间通讯，一起能够完结替换履行的作用，经过本篇文章学习，我信任现已知道其原因了。小小总结一下：

Channel接口在设计时就十分奇妙，充分利用了接口和笼统，把发送端和接纳端能力分开，这个值得咱们学习。
Channel的线程安全原因是发送端保护了一个线程安全的双向行列:LockFreeLinkedList，咱们把值和continutaion封装为SendElement/ReceiveElement保存其间，这样就保证了线程安全。
Channel的发送和接纳挂起函数的康复机遇，是经过行列中的continuation操控，在CancellableContinuationImpl进行直接康复，而不是咱们常见的调用resumeWith办法。

协程(22) | Channel原理解析

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