Go语言中常见100问题-#66 Not using nil channels
Go语言中常见100问题-#66 Not using nil channels
忽视nil通道使用
在Go开发中使用channel的时候，一个容易忽略的点是nil通道有时候是很有帮助的，本节内容将讨论nil通道是什么，以及为什么我们需要关注它。
现在有这样一个goroutine，它将创建nil channel, 然后等待从该通道中接收消息，这会产生什么效果？
var ch chan int
<-ch
ch是一个int类型的通道，它被初始化为nil，所以ch现在是nil.从nil通道中接收消息是有效的操作，goroutine不会产生panic, 然而goroutine将永远被阻塞。同理，向nil通道中发送消息操作，也会永远导致goroutine被阻塞。
var ch chan int
ch <- 0
问题来了，允许从nil通道接收消息或者向nil通道发送消息的目的是什么呢？下面通过一个具体的例子进行说明。
我们将实现一个merge函数，该函数从两个通道接收数据汇总到一个通道中。函数签名为func merge(ch1, ch2 <-chan int) <-chan int. 从通道ch1和ch2中接收到的数据将发送到返回的通道中。
上述功能在Go语言中怎样实现呢？现在来编写一个简单的版本。启动一个goroutine从两个通道中接收数据，返回的通道缓冲区大小为1.
func merge(ch1, ch2 <-chan int) <-chan int {
ch := make(chan int, 1)
go func() {
for v := range ch1 {
ch <- v
}
for v := range ch2 {
ch <- v
}
close(ch)
}()
return ch
}
在上面merge函数中启动的goroutine从通道ch1和ch2中接收数据，然后将它们发送到返回通道ch中。
上面程序存在的主要问题是，先从ch1中接收数据，然后从ch2中接收数据，在通道ch1被关闭之前，我们是无法从ch2中获取数据的。也就是说这个实现不满足我们的要求，由于ch1可能一直不会关闭，但是我们希望可以并发的从两个通道接收数据。
下面是一个改进版本，采用了select操作，代码如下：
func merge(ch1, ch2 <-chan int) <-chan int {
ch := make(chan int, 1)
go func() {
for {
select {
case v := <-ch1:
ch <- v
case v := <-ch2:
ch <- v
}
}
close(ch)
}()
return ch
}
select语句可以同时监听多个通道，将select放在for循环中，可以反复的从两个通道其一接收消息。上述代码有啥问题吗？能正确工作吗？
上面代码存在的一个问题是close(ch)语句是不可达的，它永远不会被执行。通过range遍历通道的时候，当通道被关闭的时候，range循环会自动结束。然而，上面的程序采用的是for+select操作，当ch1或ch2被关闭的时候，是感知不到的。更糟糕的是，如果ch1或ch2通道被关闭了，将会从接收通道ch中收到一系列的0，打印出接收值日志如下。
received: 0
received: 0
received: 0
received: 0
received: 0
...
为啥会从接收通道ch中收到一串的0呢? 首先知道一点，从一个关闭的通道接收数据是一个非阻塞的操作。下面的程序会打印出0，0.
ch1 := make(chan int)
close(ch1)
fmt.Print(<-ch1, <-ch1)
尽管你期望上述代码在运行时出现panic或者被阻塞，但实际上上述代码输出0,0. 并且这里获取的0值并不是真正的实际消息，而是通道被关闭后产生的事件。要检查收到的数据是真正的消息还是关闭信号，可以通过下面的操作。open变量记录了通道是否被关闭，如果被关闭，open值为false,与此同时，此时v的值为0，因为int类型的零值是0.
ch1 := make(chan int)
close(ch1)
v, open := <-ch1
fmt.Print(v, open)
运行上面的程序数据结果为：
0 false
现在开始讨论原始问题的第二种解决方法。前面说了如果ch1被关闭了，代码运行的效果不是我们期望的。因为select操作匹配上了v:=<-ch1，会将收到的0值发送到返回通道ch中。
现在来梳理下解决上面问题的最佳方法是啥,如下图所示。
我们需要从两个通道中接收数据，然后如果：
- ch1被先关闭，需要从ch2中接收数据，直到ch2被关闭
- ch2被先关闭，需要从ch1中接收数据，直到ch1被关闭
如何用Go语言实现这里的逻辑呢？可以采用状态机方法，定义bool类型的变量，记录通道是否被关闭，实现代码如下：
func merge(ch1, ch2 <-chan int) <-chan int {
ch := make(chan int, 1)
ch1Closed := false
ch2Closed := false
go func() {
for {
select {
case v, open := <-ch1:
if !open {
ch1Closed = true
break
}
ch <- v
case v, open := <-ch2:
if !open {
ch2Closed = true
break
}
ch <- v
}
if ch1Closed && ch2Closed {
close(ch)
return
}
}
}()
return ch
}
上面程序中，定义了两个bool类型的变量ch1Closed和ch2Closed.一旦从任何一个通道中收到消息，都检查一下通道是否被关闭，如果被关闭，将标记该通道被关闭，例如设置ch1Closed=true.一旦两个通道都关闭了，将关闭返回通道ch并返回，停止goroutine运行。
上述代码有什么问题吗？除了开始变得复杂外，还有一个主要问题：当两个通道任何一个关闭时，for循环将导致通道忙等待，这会导致另一个通道即使没有收到任何消息，也会继续循环。我们需要注意程序中select语句的行为，假设ch1已关闭（不会从此通道收到任何新消息）。一旦CPU再次运行到达select,它将等待下面三个条件其中一个发生：
- ch1已关闭
- ch2有新消息
- ch2已关闭
因为第一个条件ch1已关闭总是成立的，只要通道ch2中没有新消息或者没有被关闭，这将导致继续执行循环中第一种情况，会造成CPU空转浪费，应该要避免。所以说上面的程序不可行。
我们可以对上面的程序进行修改，增强状态机部分处理逻辑，在每个case下继续通过for+select处理。但这会使得代码更加复杂难以处理。
现在是nil channel派上用场的好时机，正如前面提到的，从零通道接收数据将会永远阻塞，可以利用这个特性对上面的程序进行改进。一旦通道关闭，不是设置布尔值，而是将此通道设置为nil,实现代码如下：
func merge(ch1, ch2 <-chan int) <-chan int {
ch := make(chan int, 1)
go func() {
for ch1 != nil || ch2 != nil {
select {
case v, open := <-ch1:
if !open {
ch1 = nil
break
}
ch <- v
case v, open := <-ch2:
if !open {
ch2 = nil
break
}
ch <- v
}
}
close(ch)
}()
return ch
}
只要通道ch1和ch2中任何一个没有关闭，都会继续进行循环。例如，如果ch1被关闭，它将会被赋值为nil. 在下一次循环中，select语句只会等待下面的两种情况：
- ch2有新消息
- ch2被关闭
ch1是一个nil通道，所以它永远不会case成功。同理，为ch2通道进行同样的逻辑操作，当ch2被关闭后，也将它设置为nil. 最后当两个通道都被关闭时，终止循环，关闭通道ch.
这正是我们期望实现的效果，它考虑到了各种情况并进行了处理，不会导致CPU空转浪费。
总结，向一个nil通道发送消息或者从nil通道接收消息都是一种阻塞操作，这种行为并不是没有任何用处的。本文通过一个具体的例子，将来自两个通道中的数据合并到一个通道，可以使用nil通道实现一个优雅的状态机，避免在case中继续嵌套一个for+select语句。这让我们认识到，nil通道在某些情况下确实有用，在处理并发代码时应该成为Go开发人员手中的一把有力工具。
腾讯云开发者
