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# 33｜并发：小channel中蕴含大智慧
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你好，我是Tony Bai。
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通过上两节课的学习，我们知道了Go语言实现了基于CSP（Communicating Sequential Processes）理论的并发方案。
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Go语言的CSP模型的实现包含两个主要组成部分：一个是Goroutine，它是Go应用并发设计的基本构建与执行单元；另一个就是channel，它在并发模型中扮演着重要的角色。channel既可以用来实现Goroutine间的通信，还可以实现Goroutine间的同步。它就好比Go并发设计这门“武功”的秘籍口诀，可以说，学会在Go并发设计时灵活运用channel，才能说真正掌握了Go并发设计的真谛。
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所以，在这一讲中，我们就来系统学习channel这一并发原语的基础语法与常见使用方法。
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## 作为一等公民的channel
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Go对并发的原生支持可不是仅仅停留在口号上的，Go在语法层面将并发原语channel作为一等公民对待。在前面的[第21讲](https://time.geekbang.org/column/article/460666)中我们已经学过“一等公民”这个概念了，如果你记不太清了可以回去复习一下。
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那channel作为一等公民意味着什么呢？
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这意味着我们可以**像使用普通变量那样使用channel**，比如，定义channel类型变量、给channel变量赋值、将channel作为参数传递给函数/方法、将channel作为返回值从函数/方法中返回，甚至将channel发送到其他channel中。这就大大简化了channel原语的使用，提升了我们开发者在做并发设计和实现时的体验。
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### 创建channel
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和切片、结构体、map等一样，channel也是一种复合数据类型。也就是说，我们在声明一个channel类型变量时，必须给出其具体的元素类型，比如下面的代码这样：
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var ch chan int
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这句代码里，我们声明了一个元素为int类型的channel类型变量ch。
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如果channel类型变量在声明时没有被赋予初值，那么它的默认值为nil。并且，和其他复合数据类型支持使用复合类型字面值作为变量初始值不同，为channel类型变量赋初值的唯一方法就是使用**make**这个Go预定义的函数，比如下面代码：
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ch1 := make(chan int)
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ch2 := make(chan int, 5)
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这里，我们声明了两个元素类型为int的channel类型变量ch1和ch2，并给这两个变量赋了初值。但我们看到，两个变量的赋初值操作使用的make调用的形式有所不同。
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第一行我们通过`make(chan T)`创建的、元素类型为T的channel类型，是**无缓冲channel**，而第二行中通过带有capacity参数的`make(chan T, capacity)`创建的元素类型为T、缓冲区长度为capacity的channel类型，是**带缓冲channel**。
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这两种类型的变量关于发送（send）与接收（receive）的特性是不同的，我们接下来就基于这两种类型的channel，看看channel类型变量如何进行发送和接收数据元素。
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### 发送与接收
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Go提供了`<-`操作符用于对channel类型变量进行发送与接收操作：
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ch1 <- 13 // 将整型字面值13发送到无缓冲channel类型变量ch1中
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n := <- ch1 // 从无缓冲channel类型变量ch1中接收一个整型值存储到整型变量n中
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ch2 <- 17 // 将整型字面值17发送到带缓冲channel类型变量ch2中
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m := <- ch2 // 从带缓冲channel类型变量ch2中接收一个整型值存储到整型变量m中
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```
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这里我要提醒你一句，在理解channel的发送与接收操作时，你一定要始终牢记：**channel是用于Goroutine间通信的**，所以绝大多数对channel的读写都被分别放在了不同的Goroutine中。
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现在，我们先来看看无缓冲channel类型变量（如ch1）的发送与接收。
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由于无缓冲channel的运行时层实现不带有缓冲区，所以Goroutine对无缓冲channel的接收和发送操作是同步的。也就是说，对同一个无缓冲channel，只有对它进行接收操作的Goroutine和对它进行发送操作的Goroutine都存在的情况下，通信才能得以进行，否则单方面的操作会让对应的Goroutine陷入挂起状态，比如下面示例代码：
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func main() {
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ch1 := make(chan int)
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ch1 <- 13 // fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!
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n := <-ch1
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println(n)
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}
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```
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在这个示例中，我们创建了一个无缓冲的channel类型变量ch1，对ch1的读写都放在了一个Goroutine中。
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运行这个示例，我们就会得到fatal error，提示我们所有Goroutine都处于休眠状态，程序处于死锁状态。要想解除这种错误状态，我们只需要将接收操作，或者发送操作放到另外一个Goroutine中就可以了，比如下面代码：
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func main() {
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ch1 := make(chan int)
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go func() {
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ch1 <- 13 // 将发送操作放入一个新goroutine中执行
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}()
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n := <-ch1
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println(n)
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}
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```
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由此，我们可以得出结论：**对无缓冲channel类型的发送与接收操作，一定要放在两个不同的Goroutine中进行，否则会导致deadlock**。
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接下来，我们再来看看带缓冲channel的发送与接收操作。
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和无缓冲channel相反，带缓冲channel的运行时层实现带有缓冲区，因此，对带缓冲channel的发送操作在缓冲区未满、接收操作在缓冲区非空的情况下是**异步**的（发送或接收不需要阻塞等待）。
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也就是说，对一个带缓冲channel来说，在缓冲区未满的情况下，对它进行发送操作的Goroutine并不会阻塞挂起；在缓冲区有数据的情况下，对它进行接收操作的Goroutine也不会阻塞挂起。
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但当缓冲区满了的情况下，对它进行发送操作的Goroutine就会阻塞挂起；当缓冲区为空的情况下，对它进行接收操作的Goroutine也会阻塞挂起。
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如果光看文字还不是很好理解，你可以再看看下面几个关于带缓冲channel的操作的例子：
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ch2 := make(chan int, 1)
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n := <-ch2 // 由于此时ch2的缓冲区中无数据，因此对其进行接收操作将导致goroutine挂起
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ch3 := make(chan int, 1)
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ch3 <- 17 // 向ch3发送一个整型数17
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ch3 <- 27 // 由于此时ch3中缓冲区已满，再向ch3发送数据也将导致goroutine挂起
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```
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也正是因为带缓冲channel与无缓冲channel在发送与接收行为上的差异，在具体使用上，它们有各自的“用武之地”，这个我们等会再细说，现在我们先继续把channel的基本语法讲完。
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使用操作符`<-`，我们还可以声明**只发送channel类型**（send-only）和**只接收channel类型**（recv-only），我们接着看下面这个例子：
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ch1 := make(chan<- int, 1) // 只发送channel类型
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ch2 := make(<-chan int, 1) // 只接收channel类型
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<-ch1 // invalid operation: <-ch1 (receive from send-only type chan<- int)
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ch2 <- 13 // invalid operation: ch2 <- 13 (send to receive-only type <-chan int)
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```
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你可以从这个例子中看到，试图从一个只发送channel类型变量中接收数据，或者向一个只接收channel类型发送数据，都会导致编译错误。通常只发送channel类型和只接收channel类型，会被用作函数的参数类型或返回值，用于限制对channel内的操作，或者是明确可对channel进行的操作的类型，比如下面这个例子：
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func produce(ch chan<- int) {
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for i := 0; i < 10; i++ {
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ch <- i + 1
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time.Sleep(time.Second)
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}
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close(ch)
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}
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func consume(ch <-chan int) {
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for n := range ch {
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println(n)
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}
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}
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func main() {
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ch := make(chan int, 5)
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var wg sync.WaitGroup
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wg.Add(2)
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go func() {
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produce(ch)
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wg.Done()
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}()
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go func() {
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consume(ch)
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wg.Done()
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}()
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wg.Wait()
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}
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在这个例子中，我们启动了两个Goroutine，分别代表生产者（produce）与消费者（consume）。生产者只能向channel中发送数据，我们使用`chan<- int`作为produce函数的参数类型；消费者只能从channel中接收数据，我们使用`<-chan int`作为consume函数的参数类型。
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在消费者函数consume中，我们使用了for range循环语句来从channel中接收数据，for range会阻塞在对channel的接收操作上，直到channel中有数据可接收或channel被关闭循环，才会继续向下执行。channel被关闭后，for range循环也就结束了。
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### 关闭channel
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在上面的例子中，produce函数在发送完数据后，调用Go内置的close函数关闭了channel。channel关闭后，所有等待从这个channel接收数据的操作都将返回。
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这里我们继续看一下采用不同接收语法形式的语句，在channel被关闭后的返回值的情况：
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n := <- ch // 当ch被关闭后，n将被赋值为ch元素类型的零值
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m, ok := <-ch // 当ch被关闭后，m将被赋值为ch元素类型的零值, ok值为false
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for v := range ch { // 当ch被关闭后，for range循环结束
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... ...
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}
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我们看到，通过“comma, ok”惯用法或for range语句，我们可以准确地判定channel是否被关闭。而单纯采用`n := <-ch`形式的语句，我们就无法判定从ch返回的元素类型零值，究竟是不是因为channel被关闭后才返回的。
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另外，从前面produce的示例程序中，我们也可以看到，channel是在produce函数中被关闭的，这也是channel的一个使用惯例，那就是**发送端负责关闭channel**。
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这里为什么要在发送端关闭channel呢？
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这是因为发送端没有像接受端那样的、可以安全判断channel是否被关闭了的方法。同时，一旦向一个已经关闭的channel执行发送操作，这个操作就会引发panic，比如下面这个示例：
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```plain
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ch := make(chan int, 5)
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close(ch)
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ch <- 13 // panic: send on closed channel
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```
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### select
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当涉及同时对多个channel进行操作时，我们会结合Go为CSP并发模型提供的另外一个原语**select**，一起使用。
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通过select，我们可以同时在多个channel上进行发送/接收操作：
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select {
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case x := <-ch1: // 从channel ch1接收数据
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... ...
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case y, ok := <-ch2: // 从channel ch2接收数据，并根据ok值判断ch2是否已经关闭
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... ...
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case ch3 <- z: // 将z值发送到channel ch3中:
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... ...
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default: // 当上面case中的channel通信均无法实施时，执行该默认分支
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}
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```
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当select语句中没有default分支，而且所有case中的channel操作都阻塞了的时候，整个select语句都将被阻塞，直到某一个case上的channel变成可发送，或者某个case上的channel变成可接收，select语句才可以继续进行下去。关于select语句的妙用，我们在后面还会细讲，这里我们先简单了解它的基本语法。
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看到这里你应该能感受到，channel和select两种原语的操作都十分简单，它们都遵循了Go语言**“追求简单”**的设计哲学，但它们却为Go并发程序带来了强大的表达能力。学习了这些基础用法后，接下来我们再深一层，看看Go并发原语channel的一些惯用法。同样地，这里我们也分成无缓冲channel和带缓冲channel两种情况来分析。
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## 无缓冲channel的惯用法
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无缓冲channel兼具通信和同步特性，在并发程序中应用颇为广泛。现在我们来看看几个无缓冲channel的典型应用：
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### 第一种用法：用作信号传递
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无缓冲channel用作信号传递的时候，有两种情况，分别是1对1通知信号和1对n通知信号。我们先来分析下1对1通知信号这种情况。
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我们直接来看具体的例子：
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type signal struct{}
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func worker() {
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println("worker is working...")
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time.Sleep(1 * time.Second)
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}
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func spawn(f func()) <-chan signal {
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c := make(chan signal)
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go func() {
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|||
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|
println("worker start to work...")
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|
f()
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|||
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|
c <- signal{}
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|||
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}()
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|||
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return c
|
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}
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|||
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|||
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func main() {
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|||
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|
println("start a worker...")
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c := spawn(worker)
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|||
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<-c
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|||
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|
fmt.Println("worker work done!")
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|
}
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|
```
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在这个例子中，spawn函数返回的channel，被用于承载新Goroutine退出的**“通知信号”**，这个信号专门用作通知main goroutine。main goroutine在调用spawn函数后一直阻塞在对这个“通知信号”的接收动作上。
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我们来运行一下这个例子：
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start a worker...
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worker start to work...
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worker is working...
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worker work done!
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```
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有些时候，无缓冲channel还被用来实现**1对n的信号通知**机制。这样的信号通知机制，常被用于协调多个Goroutine一起工作，比如下面的例子：
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```plain
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func worker(i int) {
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fmt.Printf("worker %d: is working...\n", i)
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time.Sleep(1 * time.Second)
|
|||
|
|
fmt.Printf("worker %d: works done\n", i)
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|
}
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type signal struct{}
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func spawnGroup(f func(i int), num int, groupSignal <-chan signal) <-chan signal {
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c := make(chan signal)
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var wg sync.WaitGroup
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for i := 0; i < num; i++ {
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wg.Add(1)
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|
go func(i int) {
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|||
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|
<-groupSignal
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|||
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|
fmt.Printf("worker %d: start to work...\n", i)
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|||
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f(i)
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wg.Done()
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|||
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}(i + 1)
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|
}
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|||
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|
|
go func() {
|
|||
|
|
wg.Wait()
|
|||
|
|
c <- signal{}
|
|||
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|
}()
|
|||
|
|
return c
|
|||
|
|
}
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|||
|
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|||
|
|
func main() {
|
|||
|
|
fmt.Println("start a group of workers...")
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groupSignal := make(chan signal)
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c := spawnGroup(worker, 5, groupSignal)
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|||
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|
time.Sleep(5 * time.Second)
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|||
|
|
fmt.Println("the group of workers start to work...")
|
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|
|
close(groupSignal)
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<-c
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fmt.Println("the group of workers work done!")
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|
|
}
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```
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这个例子中，main goroutine创建了一组5个worker goroutine，这些Goroutine启动后会阻塞在名为groupSignal的无缓冲channel上。main goroutine通过`close(groupSignal)`向所有worker goroutine广播“开始工作”的信号，收到groupSignal后，所有worker goroutine会**“同时”**开始工作，就像起跑线上的运动员听到了裁判员发出的起跑信号枪声。
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这个例子的运行结果如下：
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```plain
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start a group of workers...
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the group of workers start to work...
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worker 3: start to work...
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worker 3: is working...
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worker 4: start to work...
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worker 4: is working...
|
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|
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worker 1: start to work...
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|
|
worker 1: is working...
|
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|
|
worker 5: start to work...
|
|||
|
|
worker 5: is working...
|
|||
|
|
worker 2: start to work...
|
|||
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worker 2: is working...
|
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worker 3: works done
|
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worker 4: works done
|
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worker 5: works done
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|
worker 1: works done
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worker 2: works done
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the group of workers work done!
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```
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我们可以看到，关闭一个无缓冲channel会让所有阻塞在这个channel上的接收操作返回，从而实现了一种1对n的**“广播”**机制。
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### 第二种用法：用于替代锁机制
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无缓冲channel具有同步特性，这让它在某些场合可以替代锁，让我们的程序更加清晰，可读性也更好。我们可以对比下两个方案，直观地感受一下。
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首先我们看一个传统的、基于“共享内存”+“互斥锁”的Goroutine安全的计数器的实现：
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```plain
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type counter struct {
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sync.Mutex
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i int
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}
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var cter counter
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func Increase() int {
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cter.Lock()
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defer cter.Unlock()
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cter.i++
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return cter.i
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}
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func main() {
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var wg sync.WaitGroup
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for i := 0; i < 10; i++ {
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wg.Add(1)
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go func(i int) {
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v := Increase()
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fmt.Printf("goroutine-%d: current counter value is %d\n", i, v)
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wg.Done()
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}(i)
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}
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wg.Wait()
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}
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```
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在这个示例中，我们使用了一个带有互斥锁保护的全局变量作为计数器，所有要操作计数器的Goroutine共享这个全局变量，并在互斥锁的同步下对计数器进行自增操作。
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接下来我们再看更符合Go设计惯例的实现，也就是使用无缓冲channel替代锁后的实现：
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```plain
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type counter struct {
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c chan int
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i int
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}
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func NewCounter() *counter {
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cter := &counter{
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c: make(chan int),
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}
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go func() {
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for {
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cter.i++
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cter.c <- cter.i
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}
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}()
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return cter
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}
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func (cter *counter) Increase() int {
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return <-cter.c
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}
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func main() {
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cter := NewCounter()
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|||
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var wg sync.WaitGroup
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for i := 0; i < 10; i++ {
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|||
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wg.Add(1)
|
|||
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go func(i int) {
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|||
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v := cter.Increase()
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|
fmt.Printf("goroutine-%d: current counter value is %d\n", i, v)
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wg.Done()
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|||
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|
}(i)
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|||
|
|
}
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wg.Wait()
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|||
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|
}
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```
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在这个实现中，我们将计数器操作全部交给一个独立的Goroutine去处理，并通过无缓冲channel的同步阻塞特性，实现了计数器的控制。这样其他Goroutine通过Increase函数试图增加计数器值的动作，实质上就转化为了一次无缓冲channel的接收动作。
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这种并发设计逻辑更符合Go语言所倡导的**“不要通过共享内存来通信，而是通过通信来共享内存”**的原则。
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运行这个示例，我们可以得出与互斥锁方案相同的结果：
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```plain
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goroutine-9: current counter value is 10
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goroutine-0: current counter value is 1
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goroutine-6: current counter value is 7
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goroutine-2: current counter value is 3
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goroutine-8: current counter value is 9
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goroutine-4: current counter value is 5
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goroutine-5: current counter value is 6
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goroutine-1: current counter value is 2
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|
goroutine-7: current counter value is 8
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|
goroutine-3: current counter value is 4
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```
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## 带缓冲channel的惯用法
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带缓冲的channel与无缓冲的channel的最大不同之处，就在于它的**异步性**。也就是说，对一个带缓冲channel，在缓冲区未满的情况下，对它进行发送操作的Goroutine不会阻塞挂起；在缓冲区有数据的情况下，对它进行接收操作的Goroutine也不会阻塞挂起。
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这种特性让带缓冲的channel有着与无缓冲channel不同的应用场合。接下来我们一个个来分析。
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### 第一种用法：用作消息队列
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channel经常被Go初学者视为在多个Goroutine之间通信的消息队列，这是因为，channel的原生特性与我们认知中的消息队列十分相似，包括Goroutine安全、有FIFO（first-in, first out）保证等。
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其实，和无缓冲channel更多用于信号/事件管道相比，可自行设置容量、异步收发的带缓冲channel更适合被用作为消息队列，并且，带缓冲channel在数据收发的性能上要明显好于无缓冲channel。
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我们可以通过对channel读写的基本测试来印证这一点。下面是一些关于无缓冲channel和带缓冲channel收发性能测试的结果（Go 1.17, MacBook Pro 8核）。基准测试的代码比较多，我就不全部贴出来了，你可以到[这里](https://github.com/bigwhite/publication/tree/master/column/timegeek/go-first-course/33/go-channel-operation-benchmark)下载。
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* **单接收单发送性能的基准测试**
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我们先来看看针对一个channel只有一个发送Goroutine和一个接收Goroutine的情况，两种channel的收发性能比对数据：
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```plain
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// 无缓冲channel
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// go-channel-operation-benchmark/unbuffered-chan
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$go test -bench . one_to_one_test.go
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|
goos: darwin
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goarch: amd64
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|||
|
|
cpu: Intel(R) Core(TM) i5-8257U CPU @ 1.40GHz
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|||
|
|
BenchmarkUnbufferedChan1To1Send-8 6037778 199.7 ns/op
|
|||
|
|
BenchmarkUnbufferedChan1To1Recv-8 6286850 194.5 ns/op
|
|||
|
|
PASS
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|
ok command-line-arguments 2.833s
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|||
|
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// 带缓冲channel
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|
// go-channel-operation-benchmark/buffered-chan
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|||
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|
|
$go test -bench . one_to_one_cap_10_test.go
|
|||
|
|
goos: darwin
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|||
|
|
goarch: amd64
|
|||
|
|
cpu: Intel(R) Core(TM) i5-8257U CPU @ 1.40GHz
|
|||
|
|
BenchmarkBufferedChan1To1SendCap10-8 17089879 66.16 ns/op
|
|||
|
|
BenchmarkBufferedChan1To1RecvCap10-8 18043450 65.57 ns/op
|
|||
|
|
PASS
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|||
|
|
ok command-line-arguments 2.460s
|
|||
|
|
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|||
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|
```
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|
然后我们将channel的缓存由10改为100，再看看带缓冲channel的1对1基准测试结果：
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```plain
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|
|
$go test -bench . one_to_one_cap_100_test.go
|
|||
|
|
goos: darwin
|
|||
|
|
goarch: amd64
|
|||
|
|
cpu: Intel(R) Core(TM) i5-8257U CPU @ 1.40GHz
|
|||
|
|
BenchmarkBufferedChan1To1SendCap100-8 23089318 53.06 ns/op
|
|||
|
|
BenchmarkBufferedChan1To1RecvCap100-8 23474095 51.33 ns/op
|
|||
|
|
PASS
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|||
|
|
ok command-line-arguments 2.542s
|
|||
|
|
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|
```
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|
* **多接收多发送性能基准测试**
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我们再来看看，针对一个channel有多个发送Goroutine和多个接收Goroutine的情况，两种channel的收发性能比对数据（这里建立10个发送Goroutine和10个接收Goroutine）：
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```plain
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|
// 无缓冲channel
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|||
|
|
// go-channel-operation-benchmark/unbuffered-chan
|
|||
|
|
|
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|
|
$go test -bench . multi_to_multi_test.go
|
|||
|
|
goos: darwin
|
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|
|
goarch: amd64
|
|||
|
|
cpu: Intel(R) Core(TM) i5-8257U CPU @ 1.40GHz
|
|||
|
|
BenchmarkUnbufferedChanNToNSend-8 293930 3779 ns/op
|
|||
|
|
BenchmarkUnbufferedChanNToNRecv-8 280904 4190 ns/op
|
|||
|
|
PASS
|
|||
|
|
ok command-line-arguments 2.387s
|
|||
|
|
|
|||
|
|
// 带缓冲channel
|
|||
|
|
// go-channel-operation-benchmark/buffered-chan
|
|||
|
|
|
|||
|
|
$go test -bench . multi_to_multi_cap_10_test.go
|
|||
|
|
goos: darwin
|
|||
|
|
goarch: amd64
|
|||
|
|
cpu: Intel(R) Core(TM) i5-8257U CPU @ 1.40GHz
|
|||
|
|
BenchmarkBufferedChanNToNSendCap10-8 736540 1609 ns/op
|
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|
|
BenchmarkBufferedChanNToNRecvCap10-8 795416 1616 ns/op
|
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|
|
PASS
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|||
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|
ok command-line-arguments 2.514s
|
|||
|
|
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```
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|
这里我们也将channel的缓存由10改为100后，看看带缓冲channel的多对多基准测试结果：
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```plain
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|
$go test -bench . multi_to_multi_cap_100_test.go
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|||
|
|
goos: darwin
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|
|
goarch: amd64
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|||
|
|
cpu: Intel(R) Core(TM) i5-8257U CPU @ 1.40GHz
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|
|
BenchmarkBufferedChanNToNSendCap100-8 1236453 966.4 ns/op
|
|||
|
|
BenchmarkBufferedChanNToNRecvCap100-8 1279766 969.4 ns/op
|
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|
|
PASS
|
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|
|
ok command-line-arguments 4.309s
|
|||
|
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```
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综合前面这些结果数据，我们可以得出几个初步结论：
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* 无论是1收1发还是多收多发，带缓冲channel的收发性能都要好于无缓冲channel；
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* 对于带缓冲channel而言，发送与接收的Goroutine数量越多，收发性能会有所下降；
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* 对于带缓冲channel而言，选择适当容量会在一定程度上提升收发性能。
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不过你要注意的是，Go支持channel的初衷是将它作为Goroutine间的通信手段，它并不是专门用于消息队列场景的。如果你的项目需要专业消息队列的功能特性，比如支持优先级、支持权重、支持离线持久化等，那么channel就不合适了，可以使用第三方的专业的消息队列实现。
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### 第二种用法：用作计数信号量（counting semaphore）
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Go并发设计的一个惯用法，就是将带缓冲channel用作计数信号量（counting semaphore）。带缓冲channel中的当前数据个数代表的是，当前同时处于活动状态（处理业务）的Goroutine的数量，而带缓冲channel的容量（capacity），就代表了允许同时处于活动状态的Goroutine的最大数量。向带缓冲channel的一个发送操作表示获取一个信号量，而从channel的一个接收操作则表示释放一个信号量。
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这里我们来看一个将带缓冲channel用作计数信号量的例子：
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```plain
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var active = make(chan struct{}, 3)
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var jobs = make(chan int, 10)
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func main() {
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go func() {
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for i := 0; i < 8; i++ {
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|||
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|
jobs <- (i + 1)
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|||
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|
}
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|
|
close(jobs)
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}()
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var wg sync.WaitGroup
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for j := range jobs {
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wg.Add(1)
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go func(j int) {
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|
active <- struct{}{}
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|
log.Printf("handle job: %d\n", j)
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time.Sleep(2 * time.Second)
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<-active
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|
wg.Done()
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}(j)
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|||
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|
}
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|
wg.Wait()
|
|||
|
|
}
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|
```
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我们看到，这个示例创建了一组Goroutine来处理job，同一时间允许最多3个Goroutine处于活动状态。
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为了达成这一目标，我们看到这个示例使用了一个容量（capacity）为3的带缓冲channel: **active**作为计数信号量，这意味着允许同时处于**活动状态**的最大Goroutine数量为3。
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我们运行一下这个示例：
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```plain
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2022/01/02 10:08:55 handle job: 1
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2022/01/02 10:08:55 handle job: 4
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2022/01/02 10:08:55 handle job: 8
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2022/01/02 10:08:57 handle job: 5
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2022/01/02 10:08:57 handle job: 7
|
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|
2022/01/02 10:08:57 handle job: 6
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|
2022/01/02 10:08:59 handle job: 3
|
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|
2022/01/02 10:08:59 handle job: 2
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```
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从示例运行结果中的时间戳中，我们可以看到，虽然我们创建了很多Goroutine，但由于计数信号量的存在，同一时间内处于活动状态（正在处理job）的Goroutine的数量最多为3个。
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### len(channel)的应用
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**len**是Go语言的一个内置函数，它支持接收数组、切片、map、字符串和channel类型的参数，并返回对应类型的“长度”，也就是一个整型值。
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针对channel ch的类型不同，len(ch)有如下两种语义：
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* 当ch为无缓冲channel时，len(ch)总是返回0；
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* 当ch为带缓冲channel时，len(ch)返回当前channel ch中尚未被读取的元素个数。
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这样一来，针对带缓冲channel的len调用似乎才是有意义的。那我们是否可以使用len函数来实现带缓冲channel的“判满”、“判有”和“判空”逻辑呢？就像下面示例中伪代码这样：
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```plain
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var ch chan T = make(chan T, capacity)
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// 判空
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if len(ch) == 0 {
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// 此时channel ch空了?
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}
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// 判有
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if len(ch) > 0 {
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// 此时channel ch中有数据?
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}
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// 判满
|
|||
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|
if len(ch) == cap(ch) {
|
|||
|
|
// 此时channel ch满了?
|
|||
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|
}
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|||
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|
```
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你可以看到，我在上面代码注释的“空了”、“有数据”和“满了”的后面都**打上了问号****。**这是为什么呢？
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这是因为，channel原语用于多个Goroutine间的通信，一旦多个Goroutine共同对channel进行收发操作，len(channel)就会在多个Goroutine间形成“竞态”。单纯地依靠len(channel)来判断channel中元素状态，是不能保证在后续对channel的收发时channel状态是不变的。
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我们以判空为例看看：
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从上图可以看到，Goroutine1使用len(channel)判空后，就会尝试从channel中接收数据。但在它真正从channel读数据之前，另外一个Goroutine2已经将数据读了出去，所以，Goroutine1后面的**读取就会阻塞在channel上**，导致后面逻辑的失效。
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因此，**为了不阻塞在channel上**，常见的方法是将“判空与读取”放在一个“事务”中，将“判满与写入”放在一个“事务”中，而这类“事务”我们可以通过select实现。我们来看下面示例：
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```plain
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func producer(c chan<- int) {
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var i int = 1
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for {
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time.Sleep(2 * time.Second)
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ok := trySend(c, i)
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if ok {
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fmt.Printf("[producer]: send [%d] to channel\n", i)
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i++
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|||
|
|
continue
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|||
|
|
}
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|
|
fmt.Printf("[producer]: try send [%d], but channel is full\n", i)
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|||
|
|
}
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
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|
|
func tryRecv(c <-chan int) (int, bool) {
|
|||
|
|
select {
|
|||
|
|
case i := <-c:
|
|||
|
|
return i, true
|
|||
|
|
|
|||
|
|
default:
|
|||
|
|
return 0, false
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
}
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|||
|
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|||
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func trySend(c chan<- int, i int) bool {
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|||
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select {
|
|||
|
|
case c <- i:
|
|||
|
|
return true
|
|||
|
|
default:
|
|||
|
|
return false
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
}
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|||
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|||
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func consumer(c <-chan int) {
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|||
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for {
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|||
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i, ok := tryRecv(c)
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|||
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if !ok {
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|||
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fmt.Println("[consumer]: try to recv from channel, but the channel is empty")
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|||
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time.Sleep(1 * time.Second)
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|||
|
|
continue
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|||
|
|
}
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|||
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fmt.Printf("[consumer]: recv [%d] from channel\n", i)
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if i >= 3 {
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|||
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fmt.Println("[consumer]: exit")
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|||
|
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return
|
|||
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|
}
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|||
|
|
}
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|||
|
|
}
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|||
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func main() {
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|||
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var wg sync.WaitGroup
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c := make(chan int, 3)
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wg.Add(2)
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go func() {
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|||
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producer(c)
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wg.Done()
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|||
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|
}()
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|||
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go func() {
|
|||
|
|
consumer(c)
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|||
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|
wg.Done()
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|||
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|
}()
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|||
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|||
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wg.Wait()
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|||
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|
}
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```
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我们看到，由于用到了select原语的default分支语义，当channel空的时候，tryRecv不会阻塞；当channel满的时候，trySend也不会阻塞。
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这个示例的运行结果也证明了这一点，无论是使用tryRecv的consumer还是使用trySend的producer都不会阻塞：
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```plain
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[consumer]: try to recv from channel, but the channel is empty
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|||
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[consumer]: try to recv from channel, but the channel is empty
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|||
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[producer]: send [1] to channel
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|||
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|
[consumer]: recv [1] from channel
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|||
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|
[consumer]: try to recv from channel, but the channel is empty
|
|||
|
|
[consumer]: try to recv from channel, but the channel is empty
|
|||
|
|
[producer]: send [2] to channel
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|||
|
|
[consumer]: recv [2] from channel
|
|||
|
|
[consumer]: try to recv from channel, but the channel is empty
|
|||
|
|
[consumer]: try to recv from channel, but the channel is empty
|
|||
|
|
[producer]: send [3] to channel
|
|||
|
|
[consumer]: recv [3] from channel
|
|||
|
|
[consumer]: exit
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|
[producer]: send [4] to channel
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|||
|
|
[producer]: send [5] to channel
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|||
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|
[producer]: send [6] to channel
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|||
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|
[producer]: try send [7], but channel is full
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|
|
[producer]: try send [7], but channel is full
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|
[producer]: try send [7], but channel is full
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|
... ...
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```
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这种方法适用于大多数场合，但是这种方法有一个“问题”，那就是它改变了channel的状态，会让channel接收了一个元素或发送一个元素到channel。
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有些时候我们不想这么做，我们想在不改变channel状态的前提下，单纯地侦测channel的状态，而又不会因channel满或空阻塞在channel上。但很遗憾，目前没有一种方法可以在实现这样的功能的同时，适用于所有场合。
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但是在特定的场景下，我们可以用len(channel)来实现。比如下面这两种场景：
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上图中的情景(a)是一个“多发送单接收”的场景，也就是有多个发送者，但**有且只有一个接收者**。在这样的场景下，我们可以在接收goroutine中使用`len(channel)是否大于0`来判断是否channel中有数据需要接收。
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而情景(b)呢，是一个“多接收单发送”的场景，也就是有多个接收者，但**有且只有一个发送者**。在这样的场景下，我们可以在发送Goroutine中使用`len(channel)是否小于cap(channel)`来判断是否可以执行向channel的发送操作。
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## nil channel的妙用
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如果一个channel类型变量的值为nil，我们称它为**nil channel**。nil channel有一个特性，那就是对nil channel的读写都会发生阻塞。比如下面示例代码：
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```plain
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func main() {
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var c chan int
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<-c //阻塞
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}
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或者：
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func main() {
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var c chan int
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c<-1 //阻塞
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|
}
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```
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你会看到，无论上面的哪段代码被执行，main goroutine都会阻塞在对nil channel的操作上。
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不过，nil channel的这个特性可不是一无是处，有些时候应用nil channel的这个特性可以得到事半功倍的效果。我们来看一个例子：
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```plain
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|
func main() {
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|
ch1, ch2 := make(chan int), make(chan int)
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go func() {
|
|||
|
|
time.Sleep(time.Second * 5)
|
|||
|
|
ch1 <- 5
|
|||
|
|
close(ch1)
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|||
|
|
}()
|
|||
|
|
|
|||
|
|
go func() {
|
|||
|
|
time.Sleep(time.Second * 7)
|
|||
|
|
ch2 <- 7
|
|||
|
|
close(ch2)
|
|||
|
|
}()
|
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var ok1, ok2 bool
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|
for {
|
|||
|
|
select {
|
|||
|
|
case x := <-ch1:
|
|||
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|
ok1 = true
|
|||
|
|
fmt.Println(x)
|
|||
|
|
case x := <-ch2:
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|||
|
|
ok2 = true
|
|||
|
|
fmt.Println(x)
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|||
|
|
}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
if ok1 && ok2 {
|
|||
|
|
break
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
}
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|||
|
|
fmt.Println("program end")
|
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|
}
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|
```
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|
在这个示例中，我们期望程序在接收完ch1和ch2两个channel上的数据后就退出。但实际的运行情况却是这样的：
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```plain
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5
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|||
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|
0
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|||
|
|
0
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|||
|
|
0
|
|||
|
|
... ... //循环输出0
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|||
|
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7
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|
program end
|
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|
```
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我们原本期望上面这个在依次输出5和7两个数字后退出，但实际运行的输出结果却是在输出5之后，程序输出了许多的0值，之后才输出7并退出。
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这是怎么回事呢？我们简单分析一下这段代码的运行过程：
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* 前5s，select一直处于阻塞状态；
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* 第5s，ch1返回一个5后被close，select语句的`case x := <-ch1`这个分支被选出执行，程序输出5，并回到for循环并重新select；
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|
* 由于ch1被关闭，从一个已关闭的channel接收数据将永远不会被阻塞，于是新一轮select又把`case x := <-ch1`这个分支选出并执行。由于ch1处于关闭状态，从这个channel获取数据，我们会得到这个channel对应类型的零值，这里就是0。于是程序再次输出0；程序按这个逻辑循环执行，一直输出0值；
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|
* 2s后，ch2被写入了一个数值7。这样在某一轮select的过程中，分支`case x := <-ch2`被选中得以执行，程序输出7之后满足退出条件，于是程序终止。
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那我们可以怎么改进一下这个程序，让它能按照我们的预期输出呢？
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是时候让nil channel登场了！用nil channel改进后的示例代码是这样的：
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```plain
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|
func main() {
|
|||
|
|
ch1, ch2 := make(chan int), make(chan int)
|
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|
|
go func() {
|
|||
|
|
time.Sleep(time.Second * 5)
|
|||
|
|
ch1 <- 5
|
|||
|
|
close(ch1)
|
|||
|
|
}()
|
|||
|
|
|
|||
|
|
go func() {
|
|||
|
|
time.Sleep(time.Second * 7)
|
|||
|
|
ch2 <- 7
|
|||
|
|
close(ch2)
|
|||
|
|
}()
|
|||
|
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|
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|
for {
|
|||
|
|
select {
|
|||
|
|
case x, ok := <-ch1:
|
|||
|
|
if !ok {
|
|||
|
|
ch1 = nil
|
|||
|
|
} else {
|
|||
|
|
fmt.Println(x)
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
case x, ok := <-ch2:
|
|||
|
|
if !ok {
|
|||
|
|
ch2 = nil
|
|||
|
|
} else {
|
|||
|
|
fmt.Println(x)
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
if ch1 == nil && ch2 == nil {
|
|||
|
|
break
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
}
|
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|
|
fmt.Println("program end")
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|
|
}
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```
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这里，改进后的示例程序的最关键的一个变化，就是在判断ch1或ch2被关闭后，显式地将ch1或ch2置为nil。
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而我们前面已经知道了，**对一个nil channel执行获取操作，这个操作将阻塞**。于是，这里已经被置为nil的c1或c2的分支，将再也不会被select选中执行。
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改进后的示例的运行结果如下，与我们预期相符：
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```plain
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5
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7
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|
program end
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```
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## 与select结合使用的一些惯用法
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channel和select的结合使用能形成强大的表达能力，我们在前面的例子中已经或多或少见识过了。这里我再强调几种channel与select结合的惯用法。
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### 第一种用法：利用default分支避免阻塞
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select语句的default分支的语义，就是在其他非default分支因通信未就绪，而无法被选择的时候执行的，这就给default分支赋予了一种“避免阻塞”的特性。
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其实在前面的**“len(channel)的应用”**小节的例子中，我们就已经用到了“利用default分支”实现的`trySend`和`tryRecv`两个函数：
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```plain
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func tryRecv(c <-chan int) (int, bool) {
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select {
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|
case i := <-c:
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|
|
return i, true
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|
default: // channel为空
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|
return 0, false
|
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|
|
}
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|
|
}
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|
|
func trySend(c chan<- int, i int) bool {
|
|||
|
|
select {
|
|||
|
|
case c <- i:
|
|||
|
|
return true
|
|||
|
|
default: // channel满了
|
|||
|
|
return false
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
}
|
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|
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|
```
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而且，无论是无缓冲channel还是带缓冲channel，这两个函数都能适用，并且不会阻塞在空channel或元素个数已经达到容量的channel上。
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在Go标准库中，这个惯用法也有应用，比如：
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```plain
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|
// $GOROOT/src/time/sleep.go
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func sendTime(c interface{}, seq uintptr) {
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// 无阻塞的向c发送当前时间
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|
select {
|
|||
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|
case c.(chan Time) <- Now():
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|
default:
|
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|
}
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|
|
}
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```
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### 第二种用法：实现超时机制
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带超时机制的select，是Go中常见的一种select和channel的组合用法。通过超时事件，我们既可以避免长期陷入某种操作的等待中，也可以做一些异常处理工作。
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比如，下面示例代码实现了一次具有30s超时的select：
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```plain
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func worker() {
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|
select {
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|||
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case <-c:
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|||
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// ... do some stuff
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case <-time.After(30 *time.Second):
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|
return
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|
}
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|
}
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```
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不过，在应用带有超时机制的select时，我们要特别注意**timer使用后的释放**，尤其在大量创建timer的时候。
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Go语言标准库提供的timer实际上是由Go运行时自行维护的，而不是操作系统级的定时器资源，它的使用代价要比操作系统级的低许多。但即便如此，作为time.Timer的使用者，我们也要尽量减少在使用Timer时给Go运行时和Go垃圾回收带来的压力，要及时调用timer的Stop方法回收Timer资源。
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### 第三种用法：实现心跳机制
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结合time包的Ticker，我们可以实现带有心跳机制的select。这种机制让我们可以在监听channel的同时，执行一些**周期性的任务**，比如下面这段代码：
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```plain
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|
func worker() {
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heartbeat := time.NewTicker(30 * time.Second)
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|
defer heartbeat.Stop()
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|
for {
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|||
|
|
select {
|
|||
|
|
case <-c:
|
|||
|
|
// ... do some stuff
|
|||
|
|
case <- heartbeat.C:
|
|||
|
|
//... do heartbeat stuff
|
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|
|
}
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|||
|
|
}
|
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|
|
}
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|
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|
```
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这里我们使用time.NewTicker，创建了一个Ticker类型实例heartbeat。这个实例包含一个channel类型的字段C，这个字段会按一定时间间隔持续产生事件，就像“心跳”一样。这样for循环在channel c无数据接收时，会每隔特定时间完成一次迭代，然后回到for循环进行下一次迭代。
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和timer一样，我们在使用完ticker之后，也不要忘记调用它的Stop方法，避免心跳事件在ticker的channel（上面示例中的heartbeat.C）中持续产生。
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## 小结
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好了，今天的课讲到这里就结束了，现在我们一起来回顾一下吧。
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在这一讲中，我们系统学习了Go CSP并发方案中除Goroutine之外的另一个重要组成部分：channel。Go为了原生支持并发，把channel视作一等公民身份，这就大幅提升了开发人员使用channel进行并发设计和实现的体验。
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通过预定义函数make，我们可以创建两类channel：无缓冲channel与带缓冲的channel。这两类channel具有不同的收发特性，可以适用于不同的应用场合：无缓冲channel兼具通信与同步特性，常用于作为信号通知或替代同步锁；而带缓冲channel的异步性，让它更适合用来实现基于内存的消息队列、计数信号量等。
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此外，你也要牢记值为nil的channel的阻塞特性，有些时候它也能帮上大忙。而面对已关闭的channel你也一定要小心，尤其要避免向已关闭的channel发送数据，那会导致panic。
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最后，select是Go为了支持同时操作多个channel，而引入的另外一个并发原语，select与channel有几种常用的固定搭配，你也要好好掌握和理解。
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## 思考题
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channel作为Go并发设计的重要组成部分，需要你掌握的细节非常多。而且，channel的应用模式也非常多，我们这一讲仅挑了几个常见的模式做了讲解。在日常开发中你还见过哪些实用的channel使用模式呢？欢迎在留言区分享。
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如果你觉得有收获，也欢迎你把这节课分享给更多对Go并发感兴趣的朋友。我是Tony Bai，我们下节课见。
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