Go语言通道（chan）——goroutine之间通信的管道

Posted 2021-03-02 溶洞

Go语言通道（chan）——goroutine之间通信的管道

如果说 goroutine 是 Go语言程序的并发体的话，那么 channels 就是它们之间的通信机制。一个 channels 是一个通信机制，它可以让一个 goroutine 通过它给另一个 goroutine 发送值信息。每个 channel 都有一个特殊的类型，也就是 channels 可发送数据的类型。一个可以发送 int 类型数据的 channel 一般写为 chan int。

Go语言提倡使用通信的方法代替共享内存，当一个资源需要在 goroutine 之间共享时，通道在 goroutine 之间架起了一个管道，并提供了确保同步交换数据的机制。声明通道时，需要指定将要被共享的数据的类型。可以通过通道共享内置类型、命名类型、结构类型和引用类型的值或者指针。

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：

1. ch1 := make(chan int) // 创建一个整型类型的通道
2. ch2 := make(chan interface{}) // 创建一个空接口类型的通道, 可以存放任意格式
4. type Equip struct{ /* 一些字段 */ }
5. 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：

1. // 创建一个空接口通道
2. ch := make(chan interface{})
3. // 将0放入通道中
4. ch <- 0
5. // 将hello字符串放入通道中
6. 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：

1. package main
3. func main() {
4. // 创建一个整型通道
5. ch := make(chan int)
7. // 尝试将0通过通道发送
8. ch <- 0
9. }

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：

1. package main
3. import (
4. "fmt"
5. )
7. func main() {
9. // 构建一个通道
10. ch := make(chan int)
12. // 开启一个并发匿名函数
13. go func() {
15. fmt.Println("start goroutine")
17. // 通过通道通知main的goroutine
18. ch <- 0
20. fmt.Println("exit goroutine")
22. }()
24. fmt.Println("wait goroutine")
26. // 等待匿名goroutine
27. <-ch
29. fmt.Println("all done")
31. }

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：

1. for data := range ch {
3. }

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：

1. package main
3. import (
4. "fmt"
6. "time"
7. )
9. func main() {
11. // 构建一个通道
12. ch := make(chan int)
14. // 开启一个并发匿名函数
15. go func() {
17. // 从3循环到0
18. for i := 3; i >= 0; i-- {
20. // 发送3到0之间的数值
21. ch <- i
23. // 每次发送完时等待
24. time.Sleep(time.Second)
25. }
27. }()
29. // 遍历接收通道数据
30. for data := range ch {
32. // 打印通道数据
33. fmt.Println(data)
35. // 当遇到数据0时, 退出接收循环
36. if data == 0 {
37. break
38. }
39. }
41. }

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。