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

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
• sendx和recvx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
• recvq和sendq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Nbuf      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goroutinetype waitq struct {first *sudoglast  *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 = 0for 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 <- 10println("start send 20...")message_chan <- 20println("start send 30...")message_chan <- 30println("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）