Golang Channel詳細解析

2020-03-25     sandag

引言

Goroutine 和 Channel 是 Go 語言並發編程的兩大基石。Goroutine 用於執行並發任務，Channel 用於 goroutine 之間的同步、通信。

在Golang的並發哲學裡，有一句非常著名的話：

Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.

意思是：不要通過共享內存來通信，而要通過通信來實現內存共享，它依賴CSP（Communication Sequence Process） 模型，簡稱通信順序進程。

Go提倡使用通信的方法代替共享內存，當一個Goroutine需要和其他Goroutine資源共享時，Channel就會在他們之間架起一座橋樑，並提供確保安全同步的機制。

Channel本質上還是一個隊列，遵循FIFO（First In-First Out）原則，

創建通道

創建通道需要用到關鍵字 make ，格式如下：

通道實例 := make(chan 數據類型)
  • 數據類型：通道內傳輸的元素類型。
  • 通道實例：通過make創建的通道句柄。

使用通道

通道創建後，就可以使用通道進行發送和接收操作。

寫入

通道的寫入使用特殊的操作符<-，將數據通過通道發送的格式為：

通道變量 <- 值

（可以簡單理解為箭頭方向為傳遞的值最終去向）

// 創建一個空接口通道
ch := make(chan interface{})
// 將0放入通道中
ch <- 0
// 將hello字符串放入通道中
ch <- "hello"

讀取

通道的讀取同樣使用<-操作符，通道接收有如下特性：

  1. 通道的收發操作在不同的兩個 goroutine 間進行。
  2. 由於通道的數據在沒有接收方處理時，數據發送方會持續阻塞，因此通道的接收必定在另外一個 goroutine 中進行。
  3. 接收將持續阻塞直到發送方發送數據。

通道的數據接收一共有以下 4 種寫法:

1) 阻塞式接收

阻塞模式接收數據時，接收值只有一個，格式如下：

data := <-ch

執行該語句時程序將會阻塞，直到接收到數據並賦值給 data 變量。

2) 非阻塞接收數據

使用非阻塞方式從通道接收數據時，語句不會發生阻塞，格式如下：

data, ok := <-ch

data：表示接收到的數據。未接收到數據時，data 為通道類型的零值。

ok：表示是否接收到數據。

特點：非阻塞的通道接收方法可能造成高的 CPU 占用，不建議這麼使用。

3) 忽略接收的數據

忽略從通道返回的任何數據，格式如下：

<-ch

特點：該方法也是阻塞的，必須等到通道返回了程序才會繼續往下走。

4) 循環接收

通道的數據接收可以借用 for range 語句進行多個元素的接收操作，格式如下：

for data := range ch {
    // do sth.
}

通道 ch 是可以進行遍歷的，遍歷的結果就是接收到的數據。數據類型就是通道的數據類型。通過 for 遍歷獲得的變量只有一個，即上面例子中的 data。

只讀/只寫通道

一般來說，通道都是雙向的，即數據可以進入和輸出。但是，為了符合某些特殊業務場景，官方還提供了只支持讀（Read Only）或只支持寫（Write Only）的通道，格式如下：

//定義只讀通道
ch_r := <-chan interface{}
//定義只寫通道
ch_w := <-chan interface{}

有緩衝通道

Go語言中有緩衝的通道（buffered channel）是一種在被接收前能存儲一個或者多個值的通道。這種類型的通道並不強制要求 goroutine 之間必須同時完成發送和接收。通道會阻塞發送和接收動作的條件也會不同。只有在通道中沒有要接收的值時，接收動作才會阻塞。只有在通道沒有可用緩衝區容納被發送的值時，發送動作才會阻塞。

有緩衝通道的定義方式如下：

通道實例 := make(chan 通道類型, 緩衝大小)
  • 通道類型：和無緩衝通道用法一致，影響通道發送和接收的數據類型。
  • 緩衝大小：決定通道最多可以保存的元素數量。
  • 通道實例：被創建出的通道實例。

下面我借用以下的圖片來說明下這個通道原理

  1. 左邊的goroutine不斷的往通道中塞數據
  2. 右邊的goroutine不斷的從通道中拿數據
  3. 一個讀/一個寫，同步作業
  4. 左邊的goroutine全部數據已經放完了，但此時通道中還剩餘數據，所有右邊的goroutine還在工作

無緩衝通道

Go語言中無緩衝的通道（unbuffered channel）是指在接收前沒有能力保存任何值的通道。這種類型的通道要求發送 goroutine 和接收 goroutine 同時準備好，才能完成發送和接收操作。

無緩衝通道的定義方式如下：

通道實例 := make(chan 通道類型)
  • 通道類型：和無緩衝通道用法一致，影響通道發送和接收的數據類型。
  • 緩衝大小：0
  • 通道實例：被創建出的通道實例。

為了講得更清楚一些，我也找了一張額外的圖來說明：

在第 1 步，兩個 goroutine 都到達通道，但哪個都沒有開始執行發送或者接收。在第 2 步，左側的 goroutine 將它的手伸進了通道，這模擬了向通道發送數據的行為。這時，這個 goroutine 會在通道中被鎖住，直到交換完成。在第 3 步，右側的 goroutine 將它的手放入通道，這模擬了從通道里接收數據。這個 goroutine 一樣也會在通道中被鎖住，直到交換完成。在第 4 步和第 5 步，進行交換，並最終在第 6 步，兩個 goroutine 都將它們的手從通道里拿出來，這模擬了被鎖住的 goroutine 得到釋放。兩個 goroutine 現在都可以去做別的事情了。

總結

GoLang的通道是支撐並發系統穩定高效運行的重要工具，只有充分了解了它，才能在業務開發和問題排查中找到最關鍵的方案。知己知彼，百戰不殆。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-tw/G2GfEnEBrZ4kL1VilDun.html