《快学 Go 语言》第 12课——神秘的地下通道

不同的并行协程之间交流的方式有两种,一种是通过共享变量,另一种是通过队列。Go 语言鼓励使用队列的形式来交流,它单独为协程之间的队列数据交流定制了特殊的语法 —— 通道。

通道是协程的输入和输出。作为协程的输出,通道是一个容器,它可以容纳数据。作为协程的输入,通道是一个生产者,它可以向协程提供数据。通道作为容器是有限定大小的,满了就写不进去,空了就读不出来。通道还有它自己的类型,它可以限定进入通道的数据的类型。

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创建通道

创建通道只有一种语法,那就是 make 全局函数,提供第一个类型参数限定通道可以容纳的数据类型,再提供第二个整数参数作为通道的容器大小。大小参数是可选的,如果不填,那这个通道的容量为零,叫着「非缓冲型通道」,非缓冲型通道必须确保有协程正在尝试读取当前通道,否则写操作就会阻塞直到有其它协程来从通道中读东西。非缓冲型通道总是处于既满又空的状态。与之对应的有限定大小的通道就是缓冲型通道。在 Go 语言里不存在无界通道,每个通道都是有限定最大容量的。

读写通道

Go 语言为通道的读写设计了特殊的箭头语法糖

通道作为容器,它可以像切片一样,使用 cap() 和 len() 全局函数获得通道的容量和当前内部的元素个数。通道一般作为不同的协程交流的媒介,在同一个协程里它也是可以使用的。

读写阻塞

通道满了,写操作就会阻塞,协程就会进入休眠,直到有其它协程读通道挪出了空间,协程才会被唤醒。如果有多个协程的写操作都阻塞了,一个读操作只会唤醒一个协程。

通道空了,读操作就会阻塞,协程也会进入睡眠,直到有其它协程写通道装进了数据才会被唤醒。如果有多个协程的读操作阻塞了,一个写操作也只会唤醒一个协程。

关闭通道

Go 语言的通道有点像文件,不但支持读写操作, 还支持关闭。读取一个已经关闭的通道会立即返回通道类型的「零值」,而写一个已经关闭的通道会抛异常。如果通道里的元素是整型的,读操作是不能通过返回值来确定通道是否关闭的。

这时候就需要引入一个新的知识点 —— 使用 for range 语法糖来遍历通道

for range 语法我们已经见了很多次了,它是多功能的,除了可以遍历数组、切片、字典,还可以遍历通道,取代箭头操作符。当通道空了,循环会暂停阻塞,当通道关闭时,阻塞停止,循环也跟着结束了。当循环结束时,我们就知道通道已经关闭了。

通道如果没有显式关闭,当它不再被程序使用的时候,会自动关闭被垃圾回收掉。不过优雅的程序应该将通道看成资源,显式关闭每个不再使用的资源是一种良好的习惯。

通道写安全

上面提到向一个已经关闭的通道执行写操作会抛出异常,这意味着我们在写通道时一定要确保通道没有被关闭。

那如何确保呢?Go 语言并不存在一个内置函数可以判断出通道是否已经被关闭。即使存在这样一个函数,当你判断时通道没有关闭,并不意味着当你往通道里写数据时它就一定没有被关闭,并发环境下,它是可能被其它协程随时关闭的。

确保通道写安全的最好方式是由负责写通道的协程自己来关闭通道,读通道的协程不要去关闭通道。

这个方法确实可以解决单写多读的场景,可要是遇上了多写单读的场合该怎么办呢?任意一个读写通道的协程都不可以随意关闭通道,否则会导致其它写通道协程抛出异常。这时候就必须让其它不相干的协程来干这件事,这个协程需要等待所有的写通道协程都结束运行后才能关闭通道。那其它协程要如何才能知道所有的写通道已经结束运行了呢?这个就需要使用到内置 sync 包提供的 WaitGroup 对象,它使用计数来等待指定事件完成。

多路通道

在真实的世界中,还有一种消息传递场景,那就是消费者有多个消费来源,只要有一个来源生产了数据,消费者就可以读这个数据进行消费。这时候可以将多个来源通道的数据汇聚到目标通道,然后统一在目标通道进行消费。

但是上面这种形式比较繁琐,需要为每一种消费来源都单独启动一个汇聚协程。Go 语言为这种使用场景带来了「多路复用」语法糖,也就是下面要讲的 select 语句,它可以同时管理多个通道读写,如果所有通道都不能读写,它就整体阻塞,只要有一个通道可以读写,它就会继续。下面我们使用 select 语句来简化上面的逻辑

上面是多路复用 select 语句的读通道形式,下面是它的写通道形式,只要有一个通道能写进去,它就会打破阻塞。

非阻塞读写

前面我们讲的读写都是阻塞读写,Go 语言还提供了通道的非阻塞读写。当通道空时,读操作不会阻塞,当通道满时,写操作也不会阻塞。非阻塞读写需要依靠 select 语句的 default 分支。当 select 语句所有通道都不可读写时,如果定义了 default 分支,那就会执行 default 分支逻辑,这样就起到了不阻塞的效果。下面我们演示一个单生产者多消费者的场景。生产者同时向两个通道写数据,写不进去就丢弃。

从输出中可以明显看出有很多的数据都丢弃了,消费者读到的数据是不连续的。如果将 select 语句里面的 default 分支干掉,再运行一次,结果如下

可以看到消费者读到的数据都连续了,但是每个数据只给了一个消费者。select 语句的 default 分支非常关键,它是决定通道读写操作阻塞与否的关键。

Java 也有通道

通道内部结构

Go 语言的通道内部结构是一个循环数组,通过读写偏移量来控制元素发送和接受。它为了保证线程安全,内部会有一个全局锁来控制并发。对于发送和接受操作都会有一个队列来容纳处于阻塞状态的协程。

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这个循环队列和 Java 语言内置的 ArrayBlockingQueue 结构如出一辙。从这个数据结构中我们也可以得出结论:队列在本质上是使用共享变量加锁的方式来实现的,共享变量才是并行交流的本质。

所以读者请不要认为 Go 语言的通道很神奇,Go 语言只是对通道设计了一套便于使用的语法糖,让这套数据结构显的平易近人。它在内部实现上和其它语言的并发队列大同小异。

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