[Go语言入门] 14 Go语言goroutine和通道详解

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14 Go语言goroutine和通道详解14.1 goroutine14.2 通道（channel）声明通道变量创建通道通道操作 14.3 管道14.4 单向通道14.5 通道缓冲区非缓冲通道缓冲通道 14.6 通道多路复用select语句select语句的特殊应用

14 Go语言goroutine和通道详解

Go语言中通过goroutine来实现并发。goroutine是一种轻量级线程，在一台很普通的设备上，可以轻松开启成千上万的goroutine。

Go语言有两种并发编程风格。

第一种是CSP（通信顺序进程）模式，这种模式使用通道在goroutine之间通信。（本章介绍）第二种是传统的多线程模式，这种模式使用共享变量在goroutine之间的通信。(将在下一章介绍)

14.1 goroutine

在Go中，每一个并发执行的活动称为goroutine，goroutine的调度是由Go语言运行时进行管理的。

当一个程序启动时，只有一个goroutine，该goroutine调用main函数，我们称它为主goroutine。主goroutine在程序启动时自动创建，新的goroutine需要通过go语句进行创建。在一个函数调用或方法调用前面加上go关键字，即可新建一个goroutine，在该goroutine中调用函数或方法，而当前goroutine中的go语句立即返回。

新建goroutine的语法：

go 函数名(参数列表)

示例：

package mainimport (    "fmt"    "time")func myFunction(s string) {    for i:= 0; i < 5; i++ {        time.Sleep(100*time.Millisecond)        fmt.Println(s)    }}func main() {    go myFunction("aaaaaa")    myFunction("bbbbbb")}

执行以上代码，输出如下内容：

bbbbbbaaaaaabbbbbbaaaaaabbbbbbaaaaaabbbbbbaaaaaabbbbbbaaaaaabbbbbbaaaaaabbbbbbaaaaaabbbbbbaaaaaabbbbbbaaaaaabbbbbb

14.2 通道（channel）

通道用来在goroutine之间传送数据。一个通道是用来传送某个具体类型值的管道，该类型叫做通道的元素类型。一个具有int类型元素的通道写为chan int；一个具有string类型元素的通道写为chan string。

声明通道变量

// var_name是变量名， T是具体的通道元素类型var var_name chan T

通道的零值是nil。

创建通道

使用内置的make函数来创建一个通道：

// 创建一个元素类型为T的通道make(chan T)

像Map一样，通道是一个使用make创建的数据结构的引用。当复制或者作为函数参数时，复制的是引用。

通道操作

通道有两个主要操作：发送（send）和接收（receive），两者统称为通信。

send语句发送一个值到通道中，receive语句从通道中接收一个值，通道是先入先出的FIFO，即先发送进通道的值先被接收。两个操作都使用<-操作符。

// 将x发送到通道chch <- x// 从通道ch中接收一个值，存入chx = <- ch// 从通道ch中接受一个值，丢弃结果<- ch

通道还支持第三个操作：关闭（close）。它设置一个标志位来指示值当前已经发送完毕，后面不会再有值了。关闭后再做发送操作将导致宕机异常。在一个已关闭的通道上进行接收操作，将获取所有已经发送的值，直到通道为空，这时任何接收操作会立即完成，同时获取到一个通道元素类型对应的零值。

调用内置的close函数来关闭通道：

// 关闭通道chclose(ch)

14.3 管道

通道可以用来连接goroutine，这样一来，一个goroutine的输出就是另外一个goroutine的输入。这种使用方式叫管道。下面的程序由三个goroutine组成，他们被两个通道连接起来，如下图所示：

第一个goroutine是counter，产生一个0,1,2,3,…的整数序列，然后通过一个管道发送给第二个goroutine（叫squarer），计算数的平方，然后将结果通过另一个管道发送给第三个goroutine（叫printer），接收值并输出他们。

示例：

func main() {    naturals := make(chan int)    squares := make(chan int)        // counter    go func() {        for x := 0; ; x++ {            naturals <- x            time.Sleep(100*time.Millisecond)        }    }()        // squarer    go func() {        for {            x := <- naturals            squares <- (x*x)        }    }()        // printer    for {        fmt.Println(<-squares)    }}

上面的程序无限的输出平方序列0,1,4,9,…。如果想要通过通道发送有限的数字怎么办？

如果发送方直到没有更多的数据要发送，需要告诉接收者goroutine停止等待通道种的数据，这可以通过关闭通道来实现。

close(ch)

在通道关闭后，任何后续的发送操作将会导致应用崩溃。当关闭的通道被读完（就是最后一个发送的值被接收）后，所有后续的接收操作顺畅进行，只是获取到的是零值。关闭naturals通道导致squarer从通道接收的都是0，并将平方结果0传递给printer。

没有一个直接的方式来判断通道是否已经关闭，但是通道的接收操作还有一个变种：当使用两个变量来接收通道时，第一个变量接收通道中的元素值，第二个变量接收通道是否已被关闭且读完。利用这个特性，可以修改上面的程序，只输出0到100的平方。

func main() {    naturals := make(chan int)    squares := make(chan int)        // counter    go func() {        for x := 0; x <= 100; x++ {            naturals <- x            time.Sleep(100*time.Millisecond)        }close(naturals)    }()        // squarer    go func() {        for {            x, ok := <- naturalsif !ok {break}squares <- (x*x)        }close(squares)    }()        // printer    for {x, ok := <-squaresif !ok {break}        fmt.Println(x)    }}

Go语言的for-range循环也支持从通道中读元素，并且当通道被关闭的时候，for-range循环退出。可以使用for-range循环简化上面的程序。

func main() {    naturals := make(chan int)    squares := make(chan int)        // counter    go func() {        for x := 0; x <= 100; x++ {            naturals <- x            time.Sleep(100*time.Millisecond)        }close(naturals)    }()        // squarer    go func() {for x := range naturals {squares <- (x*x)}close(squares)    }()        // printerfor x := range squares {        fmt.Println(x)    }}

14.4 单向通道

前面的例子中，counter只向通道naturals发送值，squarer只从通道naturals接收值；squarer只向通道squares发送值，printer仅从通道squares接收值。但在程序实现的时候，如果写错了发送方向，编译器并不能帮我们检查出来。

能否为通道的操作限定为单一的方向呢（只能用于发送、或只能用于接收）？答案是可以。

Go语言提供了单向通道类型，有两种：

类型 chan<- T是一个只能发送的通道，不允许对其执行接收操作类型<-chan T是一个只能接收的通道，不允许对其执行发送操作

close操作可用在仅能发送的通道上，不可用在仅能接收的通道上。

使用单向通道变量仅能执行单向操作，当执行非法操作时，Go语言在编译时就检查出错误。

让我们再一次修改前面的输出平方值的例子，这次使用单向通道：

func counter(out chan<- int) {for x := 0; x <= 100; x++ {out <- xtime.Sleep(100*time.Millisecond)}close(out)}func squarer(out chan<- int, in <-chan int) {for x := range in {out <- (x*x)}close(out)}func printer(in <-chan int) {for x := range in {        fmt.Println(x)    }}func main() {    naturals := make(chan int)    squares := make(chan int)        go counter(naturals)go squarer(squares, naturals)printer(squares)}

counter(naturals)调用隐式地将chan int类型转化为参数要求的chan<- int类型，printer(squares)调用做了类似的转换。将双向通道转换为单向通道是允许的，但是反过来是不行的。

14.5 通道缓冲区

使用前面的make调用创建的通道叫无缓冲通道，但make还可以接收第二个可选参数——一个表示通道容量的整数，用来创建一个带缓冲的通道。如果容量是0，make创建的还是一个无缓冲通道。

ch = make(chan int)// 无缓冲通道ch = make(chan int, 0)// 无缓冲通道ch = make(chan int, 1)// 缓冲容量为1的通道ch = make(chan int, 3)// 传冲容量为3的通道

非缓冲通道

无缓冲通道上的发送操作将会阻塞，直到另一个goroutine在对应的通道上执行接收操作，这时值传送完成，两个goroutine都可以继续执行。相反，如果接收操作先执行，接收方goroutine将阻塞，直到另一个goroutine在同一个通道上发送一个值。

使用无缓冲通道进行的通信导致发送和接收方goroutine同步化。因此，无缓冲通道也称为同步通道。

缓冲通道

缓冲通道有一个元素队列，队列的最大长度在创建时通过make函数的第二个参数来设置。下面的语句创建一个可以容纳三个字符串的缓冲通道。

ch = make(chan string, 3)

缓冲通道上的发送操作在队列的尾部插入一个元素，接收操作从队列的头部移除一个元素。如果填满了，发送操作会阻塞所在的goroutine直到另一个goroutine对它进行接收操作来留出可用空间。反过来，如果通道是空的，执行接收操作的goroutine阻塞，直到另一个goroutine在通道上发送数据。

可以在上面例子的通道种无阻塞的发送三个值：

ch <- "A"ch <- "B"ch <- "C"

这时通道是满的，再向通道发送值将阻塞当前goroutine。

ch <- "D" // 将会阻塞

直到有goroutine从通道接收了一个值，前面被阻塞的goroutine被唤醒，然后向通道发送"D"：

<-ch// "A"

缓冲通道的缓冲区将发送和接收goroutine解耦了，将这两方的goroutine异步化了。

程序如果想直到缓冲区的容量，可以通过调用内置的cap函数来获取：

fmt.Println(cap(ch))// 获取通道的容量

当使用len函数时，将获取到通道种的元素个数。但是在并发程序中，得到的元素个数会随着程序的运行很快过期，所以这个信息的价值很低，但在错误诊断和性能优化时很有用。

14.6 通道多路复用

select语句

让我们来看一个例子。下面的程序对火箭发射进行倒计时，其中的time.Tick函数返回一个通道，它定期向通道中发送事件，每个事件的值是一个事件戳。然后程序通过一个倒计时循环从tick通道中接收事件，当接收了10次以后，循环退出，然后执行launch()：

func main() {    fmt.Println("Commencing countdown.")    tick := time.Tick(1*time.Second)    for countdown := 10; countdown > 0; countdown-- {        fmt.Println(countdown)        <-tick    }    launch()}func launch() {    fmt.Println("lanuch")}

让我们为其添加一个功能：当在倒计时时，我们可以通过按回车键来取消发射。首先，启动一个goroutine从标准输入读取一个字符，如果成功，发送一个值到abort通道：

abort := make(chan struct{})go func() {    os.Stdin.Read(make([]byte, 1))// 读取单个字节    abort <- struct{}{}}()

现在每一次倒计时迭代需要等待两个通道中的任何一个有事件：tick通道、abort通道。不能只在一个通道上接收，因为任何一个通道在有事件可接收之前都会阻塞。所以需要对两个通道进行多路复用。为了实现通道的多路复用，需要使用select语句：

select {case <-ch1:    // ...case x := <-ch2:    // ...case ch <- y:    // ...default:    // ...}

上面的select语句的每个case分支都尝试一个通道进行发送或接收，select语句将一直等待，直到某个分支的通道上可以执行相应的操作，此时该分支的代码被执行，其他分支将不会执行。

select中的default分支可选的，当有default分支时，在select等待的过程中，如果每一个case分支都没有事件，那么立即执行default分支。当没有default分支时，在select等待的过程中，如果每一个case分支都没有事件，那么将永远等待，直到有一个case分支有事件。

让我们在火箭发射程序中通过select语句同时监听两个通道是否有事件。

package mainimport "fmt"import "time"import "os"func main() {    abort := make(chan struct{})    go func() {        os.Stdin.Read(make([]byte, 1))// 读取单个字节        abort <- struct{}{}    }()        fmt.Println("Commencing countdown.")    tick := time.Tick(1*time.Second)    for countdown := 10; countdown > 0; countdown-- {        fmt.Println(countdown)        select {        case <-tick:            // 什么都不做case <-abort:            fmt.Println("Launch aborted!")            return        }    }        launch()}func launch() {    fmt.Println("lanuch")}

如果有多个case分支同时满足，select会随机选择一个，这样保证每一个通道有相同的机会被选中。

select语句的特殊应用

> 非阻塞通信

有时候我们试图在一个通道上发送或接收，但是一旦通道没有准备好，会发生阻塞。我们可以通过select语句实现仅在通道准备好的时候才执行发送或接收操作。

select {case <- ch：    // 执行一些事情default:    }

> select nil 通道

通道的零值是nil。在nil通道上发送和接收将永远阻塞，对于select语句，如果其分支中的通道是nil，该分支将永远不会被选择。我们可以select一个通道变量，当这个变量为nil是将不会触发对该通道的操作，而不为nil时将触发对该通道的操作。例中这个机制可以实现功能开关、超时处理、取消操作等。