Golang Channel 详细原理和使用技巧

1.简介

        Channel(一般简写为 chan) 管道提供了一种机制:它在两个并发执行的协程之间进行同步,并通过传递与该管道元素类型相符的值来进行通信,它是Golang在语言层面提供的goroutine间的通信方式.通过Channel在不同的 goroutine中交换数据,在goroutine之间发送和接收消息,并且可以通过Channel实现Go依赖的CSP的并发模型这种同步模式

        chan 可以理解为一个管道或者先进先出的队列,Golang并发的核心哲学是:不要通过共享内存来通信,而应该通过通信来共享内存,所以数据在不同协程中的传输都是通过拷贝的形式完成的,并且 channel 本身还可以支持有缓冲无缓冲的,通过 channel + timeout 实现并发协程之间的同步也是常见的一种使用姿势

2.channel结构体

简单说明:

  • buf是有缓冲的channel所特有的结构,用来存储缓存数据,是个循环链表
  • sendxrecvx用于记录buf这个循环链表中的发送或者接收的index
  • lock是个互斥锁
  • recvqsendq分别是接收(<-channel)或者发送(channel <- xxx)的goroutine抽象出来的结构体(sudog)的队列,是个双向链表
   type hchan struct {
       qcount   uint           // total data in the queue 当前队列里还剩余元素个数
       dataqsiz uint           // size of the circular queue 环形队列长度,即缓冲区的大小,即make(chan T,N) 中的N
       buf      unsafe.Pointer // points to an array of dataqsiz elements 环形队列指针
       elemsize uint16 //每个元素的大小
       closed   uint32 //标识当前通道是否处于关闭状态,创建通道后,该字段设置0,即打开通道;通道调用close将其设置为1,通道关闭
       elemtype *_type // element type 元素类型,用于数据传递过程中的赋值
       sendx    uint   // send index 环形缓冲区的状态字段,它只是缓冲区的当前索引-支持数组,它可以从中发送数据
       recvx    uint   // receive index 环形缓冲区的状态字段,它只是缓冲区当前索引-支持数组,它可以从中接受数据
       recvq    waitq  // list of recv waiters 等待读消息的goroutine队列
       sendq    waitq  // list of send waiters 等待写消息的goroutine队列
    
       // lock protects all fields in hchan, as well as several
       // fields in sudogs blocked on this channel.
       //
       // Do not change another G's status while holding this lock
       // (in particular, do not ready a G), as this can deadlock
       // with stack shrinking.
       lock mutex //互斥锁,为每个读写操作锁定通道,因为发送和接受必须是互斥操作
  }
  
  // sudog 代表goroutine
   type waitq struct {
        first *sudog
        last  *sudog
  }

 3.Channel 操作符和操作方式

通信操作符 <- 的箭头指示数据流向,箭头指向哪里,数据就流向哪里,它是一个二元操作符,可以支持任意类型,对于 channel 的操作只有4种方式:

  • 创建 channel (通过make()函数实现,包括无缓存 channel 和有缓存 channel);
  • 向 channel 中添加数据(channel<-data);
  • 从 channel 中读取数据(data<-channel);
    • data<-channel, 从 channel 中接收数据并赋值给 data
    •  <-channel,从 channel 中接收数据并丢弃
  • 关闭 channel(通过 close()函数实现)
    •  读取关闭后的无缓存通道,不管通道中是否有数据,返回值都为 0 和 false。
    •  读取关闭后的有缓存通道,将缓存数据读取完后,再读取返回值为 0 和 false。
    • 对于一个关闭的 channel,如果继续向 channel 发送数据,会引起 panic
    • channel 不能 close 两次,多次 close 会 panic

4.Channel 有无缓冲 & 同步、异步

channel 分为有缓冲 channel 和无缓冲 channel,两种 channel 的创建方法如下:

  •  var ch = make(chan int) //无缓冲 channel,等同于make(chan int ,0),是一个同步的 Channel
    • 无缓冲 channel 在读和写的过程中是都会阻塞,由于阻塞的存在,所以使用 channel 时特别注意使用方法,防止死锁和协程泄漏的产生。
    • 无缓冲 channel 的发送动作一直要到有一个接收者接收这个值才算完成,否则都是阻塞着的,也就是说,发送的数据需要被读取后,发送才会完成
    • 一般要配合 select + timeout 处理,然后再在这里添加超时时间
  •  var ch = make(chan int,10) //有缓冲channel,缓冲大小是10,是一个异步的Channel
    • 带缓存的 channel 实际上是一个阻塞队列。队列满时写协程会阻塞,队列空时读协程阻塞。
    • 有缓冲的时候,写操作是写完之后直接返回的。相对于不带缓存 channel,带缓存 channel 不易造成死锁。

5.Channel 各种操作导致阻塞和协程泄漏的场景

写操作,什么时候会被阻塞?

  • 向 nil 通道发送数据会被阻塞
  • 向无缓冲 channel 写数据,如果读协程没有准备好,会阻塞
    • 无缓冲 channel ,必须要有读有写,写了数据之后,必须要读出来,否则导致 channel 阻塞,从而使得协程阻塞而使得协程泄漏
    •  一个无缓冲 channel,如果每次来一个请求就开一个 go 协程往里面写数据,但是一直没有被读取,那么就会导致这个 chan 一直阻塞,使得写这个 chan 的 go 协程一直无法释放从而协程泄漏。
  • 向有缓冲 channel 写数据,如果缓冲已满,会阻塞
    • 有缓冲的 channel,在缓冲 buffer 之内,不读取也不会导致阻塞,当然也就不会使得协程泄漏,但是如果写数据超过了 buffer 还没有读取,那么继续写的时候就会阻塞了。如果往有缓冲的 channel 写了数据但是一直没有读取就直接退出协程的话,一样会导致 channel 阻塞,从而使得协程阻塞并泄漏。

读操作,什么时候会被阻塞?

  •  从 nil 通道接收数据会被阻塞
  • 从无缓冲 channel 读数据,如果写协程没有准备好,会阻塞
  • 从有缓冲 channel 读数据,如果缓冲为空,会阻塞

close 操作,什么时候会被阻塞?

  • close channel 对 channel 阻塞是没有任何效果的,写了数据但是不读,直接 close,还是会阻塞的。

6.Channel 各种操作对应的状态

  • 正常的 channel,可读、可写
  • nil 的 channel,表示未初始化的状态,只进行了声明,或者手动赋值为 nil
  • 已经 closed 的 channel,表示已经 close 关闭了,千万不要误认为关闭 channel 后,channel 的值是 nil

7.Channel 长度和容量

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,长度和容量的两个函数是 cap 和 len 。

示例如下:

c := make(chan int, 100) // cap 就是 100,但是此时 len 为 0
c <- 0  // len = 1, cap = 100
c <- 0  // len = 2, cap = 100
<- c    // len = 1, cap = 100

 8.Channel 的缺点

Channel 的缺点:

  • Channel 可能会导致循环阻塞或者协程泄漏,这个是最最最要重点关注的
  • Channel 中传递指针会导致数据竞态问题(data race/ race conditions)
  • Channel 中传递的都是数据的拷贝,可能会影响性能,但是就目前我们的机器性能来看,这点数据拷贝所带来的 CPU 消耗,大多数的情况下可以忽略

9.Go Channel 实现协程同步

channel 实现并发同步的说明:channel 作为 Go 并发模型的核心思想:不要通过共享内存来通信,而应该通过通信来共享内存,那么在 Go 里面,当然也可以很方便通过 channel 来实现协程的并发和同步了,并且 channel 本身还可以支持有缓冲和无缓冲的,通过 channel + timeout 实现并发协程之间的同步也是常见的一种使用姿势。

无缓冲 chan 示例

示例如下:

package main
import "fmt"
func main() {
     var ch = make(chan string)
     for i := 0; i < 10; i++ {
             go sum(i, i+10, ch)
     }
     for i := 0; i < 10; i++ {
             fmt.Print(<-ch)
     }
}
func sum(start, end int, ch chan string) {
     var sum int = 0
     for i := start; i < end; i++ {
             sum += i
     }
     ch <- fmt.Sprintf("Sum from %d to %d is %d\n", start, end, sum)
}

有缓冲 chan 示例

    message_chan := make(chan int, 2)

    go func() {
        time.Sleep(time.Second * 3)
        println("start recv...")
        println(<-message_chan)
        println(<-message_chan)
        println(<-message_chan)
        println("finish recv...")
    }()

    println("start send 10...")
    message_chan <- 10

    println("start send 20...")
    message_chan <- 20

    println("start send 30...")
    message_chan <- 30

    println("finish send...")

    time.Sleep(time.Second * 3)
    close(message_chan)

参考

[go学习笔记.第十四章.协程和管道] 2.管道

Golang Channel 详细原理和使用技巧 - 知乎

Channels in Go(https://go101.org/article/channel.html)

How to Gracefully Close Channels(https://go101.org/article/channel-closing.html)

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