Go基础系列：channel入门

Go channel系列：

• channel入门
  
• 为select设置超时时间
  
• nil channel用法示例
  
• 双层channel用法示例
  
• 指定goroutine的执行顺序

channel基础

channel用于goroutines之间的通信，让它们之间可以进行数据交换。像管道一样，一个goroutine_A向channel_A中放数据，另一个goroutine_B从channel_A取数据。

channel是指针类型的数据类型，通过make来分配内存。例如：

ch := make(chan int)

这表示创建一个channel，这个channel中只能保存int类型的数据。也就是说一端只能向此channel中放进int类型的值，另一端只能从此channel中读出int类型的值。

需要注意，chan TYPE才表示channel的类型。所以其作为参数或返回值时，需指定为xxx chan int类似的格式。

向ch这个channel放数据的操作形式为：

ch <- VALUE

从ch这个channel读数据的操作形式为：

<-ch             // 从ch中读取一个值
val = <-ch
val := <-ch      // 从ch中读取一个值并保存到val变量中
val,ok = <-ch    // 从ch读取一个值，判断是否读取成功，如果成功则保存到val变量中

其实很简单，当ch出现在<-的左边表示send，当ch出现在<-的右边表示recv。

例如：

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func main() {
    ch := make(chan string)
    go sender(ch)         // sender goroutine
    go recver(ch)         // recver goroutine
    time.Sleep(1e9)
}

func sender(ch chan string) {
    ch <- "malongshuai"
    ch <- "gaoxiaofang"
    ch <- "wugui"
    ch <- "tuner"
}

func recver(ch chan string) {
    var recv string
    for {
        recv = <-ch
        fmt.Println(recv)
    }
}

输出结果：

malongshuai
gaoxiaofang
wugui
tuner

上面激活了一个goroutine用于执行sender()函数，该函数每次向channel ch中发送一个字符串。同时还激活了另一个goroutine用于执行recver()函数，该函数每次从channel ch中读取一个字符串。

注意上面的recv = <-ch，当channel中没有数据可读时，recver goroutine将会阻塞在此行。由于recver中读取channel的操作放在了无限for循环中，表示recver goroutine将一直阻塞，直到从channel ch中读取到数据，读取到数据后进入下一轮循环由被阻塞在recv = <-ch上。直到main中的time.Sleep()指定的时间到了，main程序终止，所有的goroutine将全部被强制终止。

因为receiver要不断从channel中读取可能存在的数据，所以receiver一般都使用一个无限循环来读取channel，避免sender发送的数据被丢弃。

channel的属性和分类

channel的3种操作

每个channel都有3种操作：send、receive和close

• send：表示sender端的goroutine向channel中投放数据
  
• receive：表示receiver端的goroutine从channel中读取数据
  
• close：表示关闭channel
  • 关闭channel后，send操作将导致painc
    
  • 关闭channel后，recv操作将返回对应类型的0值以及一个状态码false
    
  • close并非强制需要使用close(ch)来关闭channel，在某些时候可以自动被关闭
    
  • 如果使用close()，建议条件允许的情况下加上defer
    
  • 只在sender端上显式使用close()关闭channel。因为关闭通道意味着没有数据再需要发送

例如，判断channel是否被关闭：

val, ok := <-counter
if ok {
    fmt.Println(val)
}

因为关闭通道也会让recv成功读取(只不过读取到的值为类型的空值)，使得原本阻塞在recv操作上的goroutine变得不阻塞，借此技巧可以实现goroutine的执行先后顺序。具体示例见后文：指定goroutine的执行顺序。

channel的两种分类

channel分为两种：unbuffered channel和buffered channel

• unbuffered channel：阻塞、同步模式
  • sender端向channel中send一个数据，然后阻塞，直到receiver端将此数据receive
    
  • receiver端一直阻塞，直到sender端向channel发送了一个数据
    
• buffered channel：非阻塞、异步模式
  • sender端可以向channel中send多个数据(只要channel容量未满)，容量满之前不会阻塞
    
  • receiver端按照队列的方式(FIFO,先进先出)从buffered channel中按序receive其中数据

可以认为阻塞和不阻塞是由channel控制的，无论是send还是recv操作，都是在向channel发送请求：

• 对于unbuffered channel，sender发送一个数据，channel暂时不会向sender的请求返回ok消息，而是等到receiver准备接收channel数据了，channel才会向sender和receiver双方发送ok消息。在sender和receiver接收到ok消息之前，两者一直处于阻塞。
  
• 对于buffered channel，sender每发送一个数据，只要channel容量未满，channel都会向sender的请求直接返回一个ok消息，使得sender不会阻塞，直到channel容量已满，channel不会向sender返回ok，于是sender被阻塞。对于receiver也一样，只要channel非空，receiver每次请求channel时，channel都会向其返回ok消息，直到channel为空，channel不会返回ok消息，receiver被阻塞。

buffered channel的两个属性

buffered channel有两个属性：容量和长度：和slice的capacity和length的概念是一样的

• capacity：表示bufffered channel最多可以缓冲多少个数据
  
• length：表示buffered channel当前已缓冲多少个数据
  
• 创建buffered channel的方式为make(chan TYPE,CAP)

unbuffered channel可以认为是容量为0的buffered channel，所以每发送一个数据就被阻塞。注意，不是容量为1的buffered channel，因为容量为1的channel，是在channel中已有一个数据，并发送第二个数据的时候才被阻塞。

换句话说，send被阻塞的时候，其实是没有发送成功的，只有被另一端读走一个数据之后才算是send成功。对于unbuffered channel来说，这是send/recv的同步模式。而buffered channel则是在每次发送数据到通道的时候，(通道)都向发送者返回一个消息，容量未满的时候返回成功的消息，发送者因此而不会阻塞，容量已满的时候因为已满而迟迟不返回消息，使得发送者被阻塞。

实际上，当向一个channel进行send的时候，先关闭了channel，再读取channel时会发现错误在send，而不是recv。它会提示向已经关闭了的channel发送数据。

func main() {
    counter := make(chan int)
    go func() {
        counter <- 32
    }()
    close(counter)
    fmt.Println(<-counter)
}

输出报错：

panic: send on closed channel

所以，在Go的内部行为中，send和recv是一个整体行为，数据未读就表示未send成功。

两种特殊的channel

有两种特殊的channel：nil channel和channal类型的channel。

当未为channel分配内存时，channel就是nil channel，例如var ch1 chan int。nil channel会永远阻塞对该channel的读、写操作。

nil channel在某些时候有些妙用，例如在select(关于select，见后文)的某个case分支A将其它某case分支B所操作的channel突然设置为nil，这将会禁用case分支B。

当channel的类型为一个channel时，就是channel的channel，也就是双层通道。例如：

var chch1 chan chan int

channel的channel是指通道里的数据是通道，可以认为通道里面嵌套了一个或多个通道：只能将整个通道发送到外层通道，读取外层通道时获取到的是内层通道，然后可以操作内层通道。

// 发送通道给外层通道
chch1 <-ch1
chch1 <-ch2

// 从外层通道取出内层通道
c <-chch1

// 操作取出的内层通道
c <-123
val := <-c

channel of channel的妙用之一是将外层通道作为通道的加工厂：在某个goroutine中不断生成通道，在其它goroutine可以不断取出通道来操作。

死锁(deadlock)

当channel的某一端(sender/receiver)期待另一端的(receiver/sender)操作，另一端正好在期待本端的操作时，也就是说两端都因为对方而使得自己当前处于阻塞状态，这时将会出现死锁问题。

更通俗地说，只要所有goroutine都被阻塞，就会出现死锁。

比如，在main函数中，它有一个默认的goroutine，如果在此goroutine中创建一个unbuffered channel，并在main goroutine中向此channel中发送数据并直接receive数据，将会出现死锁：

package main 

import (
    "fmt"
)

func main (){
    goo(32)
}

func goo(s int) {
    counter := make(chan int)
    counter <- s
    fmt.Println(<-counter)
}

在上面的示例中，向unbuffered channel中send数据的操作counter <- s是在main goroutine中进行的，从此channel中recv的操作<-counter也是在main goroutine中进行的。send的时候会直接阻塞main goroutine，使得recv操作无法被执行，go将探测到此问题，并报错：

fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!
goroutine 1 [chan send]:

要修复此问题，只需将send操作放在另一个goroutine中执行即可：

package main

import (
    "fmt"
)

func main() {
    goo(32)
}

func goo(s int) {
    counter := make(chan int)
    go func() {
        counter <- s
    }()
    fmt.Println(<-counter)
}

或者，将counter设置为一个容量为1的buffered channel：

counter := make(chan int,1)

这样放完一个数据后send不会阻塞(被recv之前放第二个数据才会阻塞)，可以执行到recv操作。

unbuffered channel同步通信示例

下面通过sync.WaitGroup类型来等待程序的结束，分析多个goroutine之间通信时状态的转换。因为创建的channel是unbuffered类型的，所以send和recv都是阻塞的。

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

// wg用于等待程序执行完成
var wg sync.WaitGroup

func main() {
    count := make(chan int)

    // 增加两个待等待的goroutines
    wg.Add(2)
    fmt.Println("Start Goroutines")

    // 激活一个goroutine，label："Goroutine-1"
    go printCounts("Goroutine-1", count)
    // 激活另一个goroutine，label："Goroutine-2"
    go printCounts("Goroutine-2", count)

    fmt.Println("Communication of channel begins")
    // 向channel中发送初始数据
    count <- 1

    // 等待goroutines都执行完成
    fmt.Println("Waiting To Finish")
    wg.Wait()
    fmt.Println("\nTerminating the Program")
}
func printCounts(label string, count chan int) {
    // goroutine执行完成时，wg的计数器减1
    defer wg.Done()
    for {
        // 从channel中接收数据
        // 如果无数据可recv，则goroutine阻塞在此
        val, ok := <-count
        if !ok {
            fmt.Println("Channel was closed:",label)
            return
        }
        fmt.Printf("Count: %d received from %s \n", val, label)
        if val == 10 {
            fmt.Printf("Channel Closed from %s \n", label)
            // Close the channel
            close(count)
            return
        }
        // 输出接收到的数据后，加1，并重新将其send到channel中
        val++
        count <- val
    }
}

上面的程序中，激活了两个goroutine，激活这两个goroutine后，向channel中发送一个初始数据值1，然后main goroutine将因为wg.Wait()等待2个goroutine都执行完成而被阻塞。

再看这两个goroutine，这两个goroutine执行完全一样的函数代码，它们都接收count这个channel的数据，但可能是goroutine1先接收到channel中的初始值1，也可能是goroutine2先接收到初始值1。接收到数据后输出值，并在输出后对数据加1，然后将加1后的数据再次send到channel，每次send都会将自己这个goroutine阻塞(因为unbuffered channel)，此时另一个goroutine因为等待recv而执行。当加1后发送给channel的数据为10之后，某goroutine将关闭count channel，该goroutine将退出，wg的计数器减1，另一个goroutine因等待recv而阻塞的状态将因为channel的关闭而失败，ok状态码将让该goroutine退出，于是wg的计数器减为0，main goroutine因为wg.Wait()而继续执行后面的代码。

使用for range迭代channel

前面都是在for无限循环中读取channel中的数据，但也可以使用range来迭代channel，它会返回每次迭代过程中所读取的数据，直到channel被关闭。必须注意，只要channel未关闭，range迭代channel就会一直被阻塞。

例如，将上面示例中的printCounts()改为for-range的循环形式。

func printCounts(label string, count chan int) {
    defer wg.Done()
    for val := range count {
        fmt.Printf("Count: %d received from %s \n", val, label)
        if val == 10 {
            fmt.Printf("Channel Closed from %s \n", label)
            close(count)
            return
        }
        val++
        count <- val
    }
}

多个"管道"：输出作为输入

channel是goroutine与goroutine之间通信的基础，一边产生数据放进channel，另一边从channel读取放进来的数据。可以借此实现多个goroutine之间的数据交换，例如goroutine_1->goroutine_2->goroutine_3，就像bash的管道一样，上一个命令的输出可以不断传递给下一个命令的输入，只不过golang借助channel可以在多个goroutine(如函数的执行)之间传，而bash是在命令之间传。

以下是一个示例，第一个函数getRandNum()用于生成随机整数，并将生成的整数放进第一个channel ch1中，第二个函数addRandNum()用于接收ch1中的数据(来自第一个函数)，将其输出，然后对接收的值加1后放进第二个channel ch2中，第三个函数printRes接收ch2中的数据并将其输出。

如果将函数认为是Linux的命令，则类似于下面的命令行：ch1相当于第一个管道，ch2相当于第二个管道

getRandNum | addRandNum | printRes

以下是代码部分：

package main

import (
    "fmt"
    "math/rand"
    "sync"
)

var wg sync.WaitGroup

func main() {
    wg.Add(3)
    // 创建两个channel
    ch1 := make(chan int)
    ch2 := make(chan int)

    // 3个goroutine并行
    go getRandNum(ch1)
    go addRandNum(ch1, ch2)
    go printRes(ch2)

    wg.Wait()
}

func getRandNum(out chan int) {
    // defer the wg.Done()
    defer wg.Done()

    var random int
    // 总共生成10个随机数
    for i := 0; i < 10; i++ {
        // 生成[0,30)之间的随机整数并放进channel out
        random = rand.Intn(30)
        out <- random
    }
    close(out)
}

func addRandNum(in,out chan int) {
    defer wg.Done()
    for v := range in {
        // 输出从第一个channel中读取到的数据
        // 并将值+1后放进第二个channel中
        fmt.Println("before +1:",v)
        out <- (v + 1)
    }
    close(out)
}

func printRes(in chan int){
    defer wg.Done()
    for v := range in {
        fmt.Println("after +1:",v)
    }
}

指定channel的方向

上面通过两个channel将3个goroutine连接起来，其中起连接作用的是第二个函数addRandNum()。在这个函数中使用了两个channel作为参数：一个channel用于接收、一个channel用于发送。

其实channel类的参数变量可以指定数据流向：

• in <-chan int：表示channel in通道只用于接收数据
  
• out chan<- int：表示channel out通道只用于发送数据

只用于接收数据的通道<-chan不可被关闭，因为关闭通道是针对发送数据而言的，表示无数据再需发送。对于recv来说，关闭通道是没有意义的。

所以，上面示例中三个函数可改写为：

func getRandNum(out chan<- int) {
    ...
}

func addRandNum(in <-chan int, out chan<- int) {
    ...
}

func printRes(in <-chan int){
    ...
}

buffered channel异步队列请求示例

下面是使用buffered channel实现异步处理请求的示例。

在此示例中：

• 有(最多)3个worker，每个worker是一个goroutine，它们有worker ID。
  
• 每个worker都从一个buffered channel中取出待执行的任务，每个任务是一个struct结构，包含了任务id(JobID)，当前任务的队列号(ID)以及任务的状态(worker是否执行完成该任务)。
  
• 在main goroutine中将每个任务struct发送到buffered channel中，这个buffered channel的容量为10，也就是最多只允许10个任务进行排队。
  
• worker每次取出任务后，输出任务号，然后执行任务(run)，最后输出任务id已完成。
• 每个worker执行任务的方式很简单：随机睡眠0-1秒钟，并将任务标记为完成。

以下是代码部分：

package main

import (
    "fmt"
    "math/rand"
    "sync"
    "time"
)

type Task struct {
    ID         int
    JobID      int
    Status     string
    CreateTime time.Time
}

func (t *Task) run() {
    sleep := rand.Intn(1000)
    time.Sleep(time.Duration(sleep) * time.Millisecond)
    t.Status = "Completed"
}

var wg sync.WaitGroup

// worker的数量，即使用多少goroutine执行任务
const workerNum = 3

func main() {
    wg.Add(workerNum)

    // 创建容量为10的buffered channel
    taskQueue := make(chan *Task, 10)

    // 激活goroutine，执行任务
    for workID := 0; workID <= workerNum; workID++ {
        go worker(taskQueue, workID)
    }
    // 将待执行任务放进buffered channel，共15个任务
    for i := 1; i <= 15; i++ {
        taskQueue <- &Task{
            ID:         i,
            JobID:      100 + i,
            CreateTime: time.Now(),
        }
    }
    close(taskQueue)
    wg.Wait()
}

// 从buffered channel中读取任务，并执行任务
func worker(in <-chan *Task, workID int) {
    defer wg.Done()
    for v := range in {
        fmt.Printf("Worker%d: recv a request: TaskID:%d, JobID:%d\n", workID, v.ID, v.JobID)
        v.run()
        fmt.Printf("Worker%d: Completed for TaskID:%d, JobID:%d\n", workID, v.ID, v.JobID)
    }
}

select多路监听

很多时候想要同时操作多个channel，比如从ch1、ch2读数据。Go提供了一个select语句块，它像switch一样工作，里面放一些case语句块，用来轮询每个case语句块的send或recv情况。

select

用法格式示例：

select {
    // ch1有数据时，读取到v1变量中
    case v1 := <-ch1:
        ...
    // ch2有数据时，读取到v2变量中
    case v2 := <-ch2:
        ...
    // 所有case都不满足条件时，执行default
    default:
        ...
}

defalut语句是可选的，不允许fall through行为，但允许case语句块为空块。select会被return、break关键字中断：return是退出整个函数，break是退出当前select。

select的行为模式主要是对channel是否可读进行轮询，但也可以用来向channel发送数据。它的行为如下：

• 如果所有的case语句块评估时都被阻塞，则阻塞直到某个语句块可以被处理
  
• 如果多个case同时满足条件，则随机选择一个进行处理，对于这一次的选择，其它的case都不会被阻塞，而是处理完被选中的case后进入下一轮select(如果select在循环中)或者结束select(如果select不在循环中或循环次数结束)
  
• 如果存在default且其它case都不满足条件，则执行default。所以default必须要可执行而不能阻塞

如果有所疑惑，后文的"select超时时间"有更有助于理解select的说明和示例。

所有的case块都是按源代码书写顺序进行评估的。当select未在循环中时，它将只对所有case评估一次，这次结束后就结束select。某次评估过程中如果有满足条件的case，则所有其它case都直接结束评估，并退出此次select。

其实如果注意到select语句是在某一个goroutine中评估的，就不难理解只有所有case都不满足条件时，select所在goroutine才会被阻塞，只要有一个case满足条件，本次select就不会出现阻塞的情况。

需要注意的是，如果在select中执行send操作，则可能会永远被send阻塞。所以，在使用send的时候，应该也使用defalut语句块，保证send不会被阻塞。如果没有default，或者能确保select不阻塞的语句块，则迟早会被send阻塞。在后文有一个select中send永久阻塞的分析：双层channel的一个示例。

一般来说，select会放在一个无限循环语句中，一直轮询channel的可读事件。

下面是一个示例，pump1()和pump2()都用于产生数据(一个产生偶数，一个产生奇数)，并将数据分别放进ch1和ch2两个通道，suck()则从ch1和ch2中读取数据。然后在无限循环中使用select轮询这两个通道是否可读，最后main goroutine在1秒后强制中断所有goroutine。

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func main() {
    ch1 := make(chan int)
    ch2 := make(chan int)
    go pump1(ch1)
    go pump2(ch2)
    go suck(ch1, ch2)
    time.Sleep(1e9)
}
func pump1(ch chan int) {
    for i := 0; i <= 30; i++ {
        if i%2 == 0 {
            ch <- i
        }
    }
}
func pump2(ch chan int) {
    for i := 0; i <= 30; i++ {
        if i%2 == 1 {
            ch <- i
        }
    }
}
func suck(ch1 chan int, ch2 chan int) {
    for {
        select {
        case v := <-ch1:
            fmt.Printf("Recv on ch1: %d\n", v)
        case v := <-ch2:
            fmt.Printf("Recv on ch2: %d\n", v)
        }
    }
}

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