Golang和Erlang消息传递机制对比

上一篇文章介绍了 Go 和 Erlang 在调度器的实现，本文将简要介绍这两种并发语言的消息传递机制

简要对比

Erlang和Go虽然在实现及功能上差异较大，但是都支持高并发的轻量级用户任务（Erlang的轻量进程，Go的Goroutine）， 并且都采用了消息传递的方式作为任务间交互的方式。

在Erlang中，采用了一种比较纯粹的消息传递机制，进程间几乎没有任何形式的数据共享，只能通过彼此间发送消息进行通信； 而Go虽然是基于共享内存的，但是也必须通过消息传递来进行共享数据的同步。 可以说消息传递机制是两种语言任务间交互的首要方式。

但是在具体实现中，鉴于两种语言的差异，也表现为不同的形式：

• 在Erlang中，进程之间以彼此的Pid作为标识进行消息的发送，一切数据都仅可以消息的形式在进程间复制
• 在Go中，不同的Goroutine间通过共享的channel进行通信，由于Go本质上是建立在共享存储模型上的，因此全局变量、参数甚至是一部分栈变量都是可以共享的，通信一般控制在较小的规模，仅用来保证共享的同步语义

下面将分别就Erlang和Go各自实现分别进行分析介绍。

Erlang中的消息传递机制

语法

消息传递是Erlang语言并发机制的基础。在Erlang中，主要包含以下并发原语：

• 创建一个新的并发轻量进程，用于执行函数Fun，并返回其进程标识符Pid：

• 向标识符为Pid的进程发送消息（注: 由于Pid ! M的返回值是消息M本身，因此可以用类似Pid1 ! Pid2 ! Pid3 ! … M的语法来向多个进程发送同一个消息）：

• 用receive ... end 来接收一个发送给当前进程的消息，语法如下（注: 当一个进程接收到一个消息时，依次尝试与Pattern1(及Guard1)，Pattern2(及Guard2), … 进行模式匹配，若成功，则对相应的Expressions求值，否则继续后续匹配）：

• 对于接收操作，我们还可以为其设置一个超时控制，一旦超过某个预设的时长仍没有消息到达，则执行相应的超时操作，语法如下：

• 可以建立一个只包含超时的接收操作，事实上就相当于一个延时操作：

以上就是Erlang中基本的消息传递的接口。

内部实现

相对于Go而言，Erlang的发展历史更加悠久，因此代码复杂程度要大大高于Go这门新型语言。 因此在分析过程中，主要还是以介绍实现机制为主，具体的数据结构及源代码实现就不作过分细致的剖析了。

Erlang的BEAM解释器的代码位于 otp/erts/emulator/beam/ 路径下， 其中与Send相关的代码位于 otp/erts/emulator/beam/erl_message.c 中， 而与Receive相关的代码则位于 otp/erts/emulator/beam/beam_emu.c 中。

之所以不在一处实现，是因为Erlang把接收操作作为一种BEAM基本指令来实现，而发送操作则以内部函数的方式实现。

在具体实现中，Erlang采用了消息Copy的方法实现消息传递——消息从发送进程的堆拷贝到接收进程的堆：

• 在发送时，如果接收进程正在另一个调度器上执行，或者有其他并发的进程也在向其发送消息时，本次发送就存在竞争风险，不能直接完成
• 发送者会在堆上为接收进程分配一个临时区域并将消息拷贝到该区（该内存区将在后续进行垃圾收集时合并到接收进程的堆空间）
• 拷贝完成后，会将指向这块新区域的指针链入接收进程的消息队列
• 如果接收进程正处于阻塞态，则将其唤醒并添加到就绪队列中

在SMP版Erlang虚拟机中，进程的消息队列由两部分组成—— 一个公共队列和一个私有队列。 公共队列用于接收其他进程发送的消息，通过互斥锁加以保护；私有队列用来减少对锁的争用： 接收进程首先在接收队列中查找符合匹配的消息，如果没有，再从公共队列中复制消息到私有队列中。

（在非SMP的Erlang虚拟机中，进程只有一个消息队列。）

接收进程发现当前任务队列上没有匹配的消息后，会跳转执行wait_timeout： 设置一个定时器并阻塞在该定时器上—— 当该定时器触发或者有新消息到来时，都会唤醒接收进程。

由于进程的消息缓冲是以队列形式维护的，因此从发送进程角度来看，可以认为消息缓冲的大小是无限的， 因此Send操作一般不会阻塞，这点注意与后面要将的Go消息传递机制相区别。 这也就是为什么Erlang中仅对Receive操作提供超时响应机制的原因了！

高级特性

与Go主要面向SMP服务器应用不同，Erlang是一种面向分布式集群环境的编程语言， 因此消息传递除了支持本地进程间的通信外，还支持分布式环境的进程间通信。

基本流程是：

• 首先通过Pid（或在分布式环境上的等价概念）查询“名字服务”
• 找到该远程进程所在的远程主机地址信息，进而通过套接字进行后续发送操作
• 远程Erlang虚拟机进程接收到消息，再进一步分析，将其派发到指定的进程消息队列中

进一步的实现细节会涉及Erlang分布式处理的机制，这里就不展开分析了，待后续单开主题讨论。

Go中channel机制介绍

语法

在Go中，channel结构是Goroutine间消息传递的基础，属于基本类型，在runtime库中以C语言实现。 Go中针对channel的操作主要包括以下几种：

• 创建：ch = make(chan int, N)
• 发送：ch <- l
• 接收：l <- ch
• 关闭：close(ch)

另外，还可以通过select语句同时在多个channel上进行收发操作，语法如下：

此外，基于select的操作tai还支持超时控制，具体的语法示例如下：

尽管Go以消息传递作为Goroutine间交互的主要方式，但是基于channel的通信又必须依赖channel引用的共享才能得以实现， 因此Go语言绝不是一种纯粹的消息传递语言。 一般而言，channel的引用可以通过以下几种方式在不同Goroutine间共享：

• “父Goroutine” 的栈变量，通过用Go语句创建Goroutine时的参数进行传递

• “父Goroutine” 的栈变量，Go创建的Goroutine以闭包作为执行函数，栈变量自动共享

• 由于Go的垃圾收集器认为channel的引用只能在栈上，因此一般不用全局的引用进行共享

另外，在创建channel时，还可以指定是否采用buffer及buffer的大小，默认buffer为0 。 当buffer大于0时，可以进行异步的消息传递：接收方只有在当前buffer为空时才阻塞，而发送方则只有在buffer满时才阻塞。 详细情形将在后面介绍。

内部实现

核心数据结构

Go中channel的实现代码在src/pkg/runtime/chan.c中，其核心数据结构如下 （对于gccgo，其实现代码在libgo/runtime/chan.c中，由于使用不同的C编译器及语法，因而数据结构实现略有不同）：

我们可以按照表示属性还是表示状态将Hchan的内部成员进行分类并逐一分析。

表示channel属性的成员如下，这些成员在用make进行初始化后确定，并且在后续操作中不会变化：