Go Channel 详解

  1. Channel 类型

  2. blocking

  3. Buffered Channels

  4. Range

  5. select

    • timeout
  6. Timer 和 Ticker

  7. close

  8. 同步

Channel 是 Go 中的一个核心类型,你可以把它看成一个管道,通过它并发核心单元就可以发送或者接收数据进行通讯(communication)。

它的操作符是箭头 <-

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ch <- v    // 发送值 v 到 Channel ch 中
v := <-ch // 从 Channel ch 中接收数据,并将数据赋值给 v

(箭头的指向就是数据的流向)

就像 map 和 slice 数据类型一样,channel 必须先创建再使用。

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ch := make(chan int)

Channel 类型

Channel 类型的定义格式如下:

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ChannelType = ("chan" | "chan" "<-" | "<-" "chan") ElementType .

它可以包括三种类型的定义。可选的 <- 代表 channel 的方向,如果没有指定方向,那么 Channel 就是双向的,既可以接收数据,也可以发送数据。

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chan T  // 可以接收和发送类型为 T 的数据
chan <- float64 // 只可以用来发送 float64 类型的数据
<- chan int // 只可以用来接收 int 类型的数据

<- 总是优先和最左边的类型结合。

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chan<- chan int // 等价于 chan<- (chan int)
chan<- <-chan int // 等价于 chan<- (<-chan int)
<-chan <-chan int // 等价 <-chan (<-chan int)
chan (<-chan int)

使用 make 初始化 Channel,并且可以设置容量:

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make(chan int, 100)

容量(capacity)代表 Channel 容纳的最多的元素的数量,代表 Channel 的缓存的大小。

如果没有设置容量,或者容量设置为 0,说明 Channel 没有缓存,只有 sender 和 receiver 都准备好了后它们的通讯(communication)才会发生(Blocking)。
如果设置了缓存,就有可能不发生阻塞,只有 buffer 满了后 send 才会阻塞,而只有缓存空了后 receive 才会阻塞。一个 nil channel 不会通信。

可以通过内建的 close 方法可以关闭 Channel。

你可以在多个 goroutine 从/往一个 channel 中 receive/send 数据,不必考虑额外的同步措施。

Channel 可以作为一个先入先出(FIFO)的队列,接收的数据和发送的数据的顺序是一致的。

channel 的 receive 支持 multi-valued assignment,如:

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v, ok := <-ch

它可以用来检查 Channel 是否已经被关闭了。

  1. send 语句

send 语句用来向 Channel 中发送数据,如 ch <- 3。

它的定义如下:

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SendStmt = Channel "<-" Expression .
Channel = Expression .

在通讯(communication)开始前 channel 和 expression 必选先求值出来(evaluated),比如下面的(3+4)先计算出 7 然后再发送给 channel。

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c := make(chan int)
defer close(c)
go func() { c <- 3 + 4 }()
i := <-c
fmt.PrintLn(i)

send 被执行前(proceed)通讯(communication)一直被阻塞着。如前所言,无缓存的 channel 只有在 receiver 准备好后 send 才被执行。
如果有缓存,并且缓存未满,则 send 会被执行。

往一个已经被 close 的 channel 中继续发送数据会导致 run-time panic。

往 nil channel 中发送数据会一直被阻塞着。

  1. receive 操作符

<-ch 用来从 channel ch 中接收数据,这个表达式会一直被 block,直到有数据可以接收。

从一个 nil channel 中接收数据会一直被 block。

从一个被 close 的 channel 中接收数据不会被阻塞,而是立即返回,接收完已发送的数据后会返回元素类型的零值(zero value)。

如前所述,你可以使用一个额外的返回参数来检查 channel 是否关闭。

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x, ok := <-ch
x, ok = <-ch
var x, ok = <-ch

如果 OK 是 false,表明接收的 x 是产生的零值,这个 channel 被关闭了或者为空。

blocking

默认情况下,发送和接收会一直阻塞着,直到另一方准备好。这种方式可以用来在 goroutine 中进行同步,而不必使用显式的锁或者条件变量。

如官方例子中 x, y := <-c<-c 这句会一直等待计算结果发送到 channel 中。

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import "fmt"

func sum(s []int, chan int) {
sum := 0
for _, v := range s {
sum += v
}
c <- sum // send sum to c
}

func main() {
s := []int{7, 2, 8, -9, 4, 0}
c := make(chan int)
go sum(s[:len(s)/2], c)
go sum(s[len(s)/2:], c)
x, y := <-c <-c // receive from c
fmt.Println(x, y, x + y)
}

Buffered Channels

make 的第二个参数指定缓存的大小:ch := make(chan int, 100)

通过缓存的使用,可以尽量避免阻塞,提高应用的性能。

Range

for ... range 语句可以处理 Channel。

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func main() {
go func() {
time.Sleep(1 * time.Hour)
}()
c := make(chan int)
go func() {
for i:= 0; i < 10; i++ {
c <- i
}
close(c)
}()
for i := range c {
fmt.Println(i)
}
fmt.Println("Finished")
}

range c 产生的迭代值为 Channel 中发送的值,它会一直迭代直到 channel 被关闭。上面的例子中如果把 close(c) 注释掉,程序会一直阻塞在 for ... range 那一行。

select

select 语句选择一组可能的 send 操作和 receive 操作去处理。它类似 switch,但是只是用来处理通讯(communication)操作。

它的 case 可以是 send 语句,也可以是 receive 语句,亦或者是 default。

receive 语句可以将值赋给一个或者两个变量。它必须是一个 receive 操作。

最多允许有一个 default case,它可以放在 case 列表的任何位置,尽管我们大部分会将它放在最后。

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imt "fmt"

func fibonacci(c, quit chan int) {
x, y := 0, 1
for {
select {
case c <- x:
x, y = y, x + y
case <- quit:
fmt.Println("quit")
return
}
}
}

func main() {
c := make(chan int)
quit := make(chan int)
go func() {
for i := 0; i < 10; i++ {
fmt.Println(<-c)
}
quit <- 0
}()
fibonacci(c, quit)
}

如果有同时多个 case 去处理,比如同时有多个 channel 可以接收数据,那么 Go 会伪随机的选择一个 case 处理。
如果没有 case 需要处理,则会选择 default 去处理,如果 default case 存在的情况下。如果没有 default case,则 select 语句会阻塞,直到某个 case 需要处理。

需要注意的是,nil channel 上的操作会一直被阻塞,如果没有 default case,只有 nil channel 的 select 会一直被阻塞。

select 语句和 switch 语句一样,它不是循环,它只会选择一个 case 来处理,如果想一直处理 channel,你可以在外面加一个无限的 for 循环:

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for {
select {
case c <- x:
x, y = y, x + y
case <- quit:
fmt.Println("quit")
return
}
}

timeout

select 有很重要的一个应用就是超时处理。因为上面我们提到,如果没有 case 需要处理,select 语句就会一直阻塞着。这时候我们可能就需要一个超时操作,用来处理超时的情况。

下面这个例子我们会在 2 秒后往 channel c1 中发送一个数据,但是 select 设置为 1 秒超时,因此我们会打印出 timeout 1,而不是 result 1。

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import "time"
import "fmt"

func main() {
c1 := make(chan string, 1)
go func() {
time.Sleep(time.Second * 2)
c1 <- "result 1"
}()
select {
case res := <-c1:
fmt.Println(res)
case <-time.After(time.Second * 1):
fmt.Println("timeout 1")
}
}

其实它利用的是 time.After 方法,它返回一个类型为 <-chan Time 的单向 channel,在指定的时间发送一个当前时间给返回的 channel 中。

Timer 和 Ticker

我们看一下关于时间的两个 Channel。

timer 是一个定时器,代表未来的一个单一事件,你可以告诉 timer 你要等待多长时间,它提供一个 Channel,在将来的那个时间那个 Channel 提供了一个时间值。
下面的例子中第二行会阻塞 2 秒钟左右的时间,直到时间到了才会继续执行。

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timer1 := time.NewTimer(time.Second * 2)
<- timer1.C
fmt.Println("Timer 1 expired")

当然如果你只是想单纯的等待的话,可以使用 time.Sleep 来实现。

你还可以使用 timer.Stop 来停止计时器。

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timer2 := time.NewTimer(time.Second)
go func() {
<-timer2.C
fmt.Println("Timer 2 expired")
}()
stop2 := timer2.Stop()
if stop2 {
fmt.Println("Timer 2 stopped")
}

ticker 是一个定时触发的计时器,它会以一个间隔往 Channel 发送一个事件(当前时间),而 Channel 的接受者可以以固定的时间间隔从 Channel 中
读取事件。下面的例子中 ticker 每 500ms 触发一次,你可以观察输出的时间。

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ticker := time.NewTicker(time.Millisecond * 500)
go func() {
for t := range ticker.C {
fmt.Println("Tick at", t)
}
}

类似 timer,ticker 也可以通过 Stop 方法来停止。一旦它停止,接受者不再会从 channel 中接收数据了。

close

内建的 close 方法可以用来关闭 channel。

总结一下 channel 关闭后 sender 的 receiver 操作。

如果 channel c 已经被关闭,继续往它发送数据会导致 panic: send on closed channel

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import "time"

func main() {
go func() {
time.Sleep(time.Hour)
}()
c := make(chan int, 10)
c <- 1
c <- 2
close(c)
c <- 3
}

但是这个关闭的 channel 中不但可以读取出已发送的数据,还可以不断的读取零值:

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c := make(chan int, 10)
c <- 1
c <- 2
close(c)
fmt.Println(<-c) // 1
fmt.Println(<-c) // 2
fmt.Println(<-c) // 0
fmt.Println(<-c) // 0

但是如果通过 range 读取,channel 关闭后 for 循环会跳出:

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c := make(chan int, 10)
c <- 1
c <- 2
close(c)
for i := range c {
fmt.Println(i)
}

通过 i, ok := <-c 可以查看 Channel 的状态,判断值是零值还是正常读取的值。

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c := make(chan int, 10)
close(c)
i, ok := <-c
fmt.Println("%d, %t", i, ok) // 0, false

同步

channel 可以用在 goroutine 之间的同步。

下面的例子中 main goroutin 通过 done channel 等待 worker 完成任务。worker 做完任务后只需往 channel 发送一个数据就可以通知 main goroutine 任务完成。

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import "fmt"
import "time"

func worker(done chan bool) {
time.Sleep(time.Second)
// 通知任务完成
done <- true
}

func main() {
done := make(chan bool, 1)
go worker(done)
// 等待任务完成
<-done
}