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。
作者:涂明光
来源:微信公众号:腾讯云开发者
出处:https://mp.weixin.qq.com/s/0oPA4THIcvWjwMGrudKJuQ