Go语言通道(chan)——goroutine之间通信的管道

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单纯地将函数并发执行是没有意义的。函数与函数间需要交换数据才能体现并发执行函数的意义。虽然可以使用共享内存进行数据交换,但是共享内存在不同的 goroutine 中容易发生竞态问题。为了保证数据交换的正确性,必须使用互斥量对内存进行加锁,这种做法势必造成性能问题。

Go 语言提倡使用通信的方法代替共享内存,这里通信的方法就是使用通道(channel),如下图所示。


图:goroutine 与 channel 的通信

在地铁站、食堂、洗手间等公共场所人很多的情况下,大家养成了排队的习惯,目的也是避免拥挤、插队导致的低效的资源使用和交换过程。代码与数据也是如此,多个 goroutine 为了争抢数据,势必造成执行的低效率,使用队列的方式是最高效的,channel 就是一种队列一样的结构。

通道的特性

Go 语言中的通道(channel)是一种特殊的类型。在任何时候,同时只能有一个 goroutine 访问通道进行发送和获取数据。goroutine 间通过通道就可以通信。

通道像一个传送带或者队列,总是遵循先入先出(First In First Out)的规则,保证收发数据的顺序。

声明通道类型

通道本身需要一个类型进行修饰,就像切片类型需要标识元素类型。通道的元素类型就是在其内部传输的数据类型,声明如下:

var 通道变量 chan 通道类型

  • 通道类型:通道内的数据类型。
  • 通道变量:保存通道的变量。

chan 类型的空值是 nil,声明后需要配合 make 后才能使用。

创建通道

通道是引用类型,需要使用 make 进行创建,格式如下:

通道实例 := make(chan 数据类型)

  • 数据类型:通道内传输的元素类型。
  • 通道实例:通过make创建的通道句柄。

请看下面的例子:
ch1 := make(chan int)                 // 创建一个整型类型的通道
ch2 := make(chan interface{})         // 创建一个空接口类型的通道, 可以存放任意格式

type Equip struct{ /* 一些字段 */ }
ch2 := make(chan *Equip)             // 创建Equip指针类型的通道, 可以存放*Equip

使用通道发送数据

通道创建后,就可以使用通道进行发送和接收操作。

1) 通道发送数据的格式

通道的发送使用特殊的操作符<-,将数据通过通道发送的格式为:

通道变量 <- 值

  • 通道变量:通过make创建好的通道实例。
  • 值:可以是变量、常量、表达式或者函数返回值等。值的类型必须与ch通道的元素类型一致。

2) 通过通道发送数据的例子

使用 make 创建一个通道后,就可以使用<-向通道发送数据,代码如下:
// 创建一个空接口通道
ch := make(chan interface{})
// 将0放入通道中
ch <- 0
// 将hello字符串放入通道中
ch <- "hello"

3) 发送将持续阻塞直到数据被接收

把数据往通道中发送时,如果接收方一直都没有接收,那么发送操作将持续阻塞。Go 程序运行时能智能地发现一些永远无法发送成功的语句并做出提示,代码如下:
package main

func main() {
    // 创建一个整型通道
    ch := make(chan int)

    // 尝试将0通过通道发送
    ch <- 0
}
运行代码,报错:

fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

报错的意思是:运行时发现所有的 goroutine(包括main)都处于等待 goroutine。也就是说所有 goroutine 中的 channel 并没有形成发送和接收对应的代码。

使用通道接收数据

通道接收同样使用<-操作符,通道接收有如下特性:
① 通道的收发操作在不同的两个 goroutine 间进行。

由于通道的数据在没有接收方处理时,数据发送方会持续阻塞,因此通道的接收必定在另外一个 goroutine 中进行。

② 接收将持续阻塞直到发送方发送数据。

如果接收方接收时,通道中没有发送方发送数据,接收方也会发生阻塞,直到发送方发送数据为止。

③ 每次接收一个元素。
通道一次只能接收一个数据元素。

通道的数据接收一共有以下 4 种写法。

1) 阻塞接收数据

阻塞模式接收数据时,将接收变量作为<-操作符的左值,格式如下:

data := <-ch

执行该语句时将会阻塞,直到接收到数据并赋值给 data 变量。

2) 非阻塞接收数据

使用非阻塞方式从通道接收数据时,语句不会发生阻塞,格式如下:

data, ok := <-ch

  • data:表示接收到的数据。未接收到数据时,data 为通道类型的零值。
  • ok:表示是否接收到数据。

非阻塞的通道接收方法可能造成高的 CPU 占用,因此使用非常少。如果需要实现接收超时检测,可以配合 select 和计时器 channel 进行,可以参见后面的内容。

3) 接收任意数据,忽略接收的数据

阻塞接收数据后,忽略从通道返回的数据,格式如下:

<-ch

执行该语句时将会发生阻塞,直到接收到数据,但接收到的数据会被忽略。这个方式实际上只是通过通道在 goroutine 间阻塞收发实现并发同步。

使用通道做并发同步的写法,可以参考下面的例子:
package main

import (
    "fmt"
)

func main() {

    // 构建一个通道
    ch := make(chan int)

    // 开启一个并发匿名函数
    go func() {

        fmt.Println("start goroutine")

        // 通过通道通知main的goroutine
        ch <- 0

        fmt.Println("exit goroutine")

    }()

    fmt.Println("wait goroutine")

    // 等待匿名goroutine
    <-ch

    fmt.Println("all done")

}
执行代码,输出如下:
wait goroutine
start goroutine
exit goroutine
all done

代码说明如下:
  • 第 10 行,构建一个同步用的通道。
  • 第 13 行,开启一个匿名函数的并发。
  • 第 18 行,匿名 goroutine 即将结束时,通过通道通知 main 的 goroutine,这一句会一直阻塞直到 main 的 goroutine 接收为止。
  • 第 27 行,开启 goroutine 后,马上通过通道等待匿名 goroutine 结束。

4) 循环接收

通道的数据接收可以借用 for range 语句进行多个元素的接收操作,格式如下:
for data := range ch {

}
通道 ch 是可以进行遍历的,遍历的结果就是接收到的数据。数据类型就是通道的数据类型。通过for遍历获得的变量只有一个,即上面例子中的 data。

遍历通道数据的例子请参考下面的代码。

使用 for 从通道中接收数据:
package main

import (
    "fmt"

    "time"
)

func main() {

    // 构建一个通道
    ch := make(chan int)

    // 开启一个并发匿名函数
    go func() {

        // 从3循环到0
        for i := 3; i >= 0; i-- {

            // 发送3到0之间的数值
            ch <- i

            // 每次发送完时等待
            time.Sleep(time.Second)
        }

    }()

    // 遍历接收通道数据
    for data := range ch {

        // 打印通道数据
        fmt.Println(data)

        // 当遇到数据0时, 退出接收循环
        if data == 0 {
                break
        }
    }

}
执行代码,输出如下:
3
2
1
0

代码说明如下:
  • 第 12 行,通过 make 生成一个整型元素的通道。
  • 第 15 行,将匿名函数并发执行。
  • 第 18 行,用循环生成 3 到 0 之间的数值。
  • 第 21 行,将 3 到 0 之间的数值依次发送到通道 ch 中。
  • 第 24 行,每次发送后暂停 1 秒。
  • 第 30 行,使用 for 从通道中接收数据。
  • 第 33 行,将接收到的数据打印出来。
  • 第 36 行,当接收到数值 0 时,停止接收。如果继续发送,由于接收 goroutine 已经退出,没有 goroutine 发送到通道,因此运行时将会触发宕机报错。