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Go Channel（收藏以备面试）

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Hi，我是行舟，今天和大家一起学习Go语言的Channel。

Go语言采用CSP模型，让两个独立执行的程序通过消息传递的方式共享内存，Channel就是Golang用来完成消息通讯的数据类型。

Go语言中，仍然可以使用共享内存的方式在多个协程间共享数据，只不过不推荐使用。

声明Channel

声明一个通道

var Channel类型 = chan 元素类型

除了上面的声明方式，还可以在chan的左右添加<-符号，分别表示只读通道和只写通道。
看几个实际的例子：

package  main

import "fmt"

func main()  {
   var c1 chan int        // 可读写的通道
   var c2 chan<- float64  // 只写通道
   var c3 <-chan int      // 只读通道

   fmt.Printf("c1=%+v n",c1)
   fmt.Printf("c2=%+v n",c2)
   fmt.Printf("c3=%+v n",c3)
}

只声明未初始化的通道值是nil，需要初始化之后才会分配存储空间，通道初始化使用make方法。make方法的第二个参数定义了通道可以缓冲参数的个数。

c1 := make(chan int) // 初始化无缓冲的通道
c2 := make(chan float64,10) // 初始化可以缓冲10个元素的通道

fmt.Printf("c1=%+v n",c1)
fmt.Printf("c2=%+v n",c2)

如上面代码c1这种没有缓冲空间的通道，我们称为无缓冲通道；c2称为有缓冲通道。

基本用法

写入和读取数据

我们执行下面的代码

c1 := make(chan int , 10) // 初始化可以缓冲10个元素的通道
c1 <-1
c1 <-2 

初始化通道c1，并写入数据。

看下一个例子

c1 := make(chan int , 10) // 初始化可以缓冲10个元素的通道
c2 := make(chan float64) // 初始化无缓冲通道

c1 <- 1  // 往通道c1写值
c2 <- 1.01 // 往通道c2写值，会报错

此时将会看到这样的报错：

fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

这是因为我们往c2这个无缓冲通道中，写入数据,而c2没有读操作。我们加一行对c2的读操作

c2 := make(chan float64) // 初始化无缓冲通道

c1 <- 1  // 往通道c1写值
c2 <- 1.01 //往通道c2写值
<-c2

此时还是报和上面同样的错误。这是因为无缓冲通道的读写必须位于不同的协程中。

c1 := make(chan int , 10) // 初始化可以缓冲10个元素的通道
c2 := make(chan float64) // 初始化无缓冲通道

go func() {
   fmt.Printf("c2=%+v n", <-c2) // 读取c2中的数据，输出c2=1.01
}()

c2 <- 1.01 // 往通道c2写值 
c1 <- 1  // 往通道c1写值

time.Sleep(1*time.Second) // 短暂的sleep，等待协程读取channel数据

这样写，才是正确的方式，程序可以正常运行。

读取通道的数据时，通道左边如果是一个变量，会返回通道中的元素；如果是两个变量，第一个是通道中复制出来的元素，第二个是通道的状态。其中通道的状态为true时，通道未关闭，状态为fasle时，通道关闭。已经关闭的通道不允许再发送数据。

c1 := make(chan int , 10) // 初始化可以缓冲10个元素的通道
c1 <- 1  // 往通道c1写值

ret,status := <- c1
fmt.Printf("r=%+v,status=%+v",ret,status) // 输出 r=1,status=true

关闭通道

关闭通道的方法是close方法。

c := make(chan int ,5)
c<-1
close(c)
c<-2 // 往关闭的通道中发送数据会报错

调用close方法关闭c通道，然后继续往c通道发送数据会报错。

panic: send on closed channel

调用close方法关闭通道时，会给所有等待读取通道数据的协程发送消息。这是一个非常有用的特性。

c := make(chan int)

go func() {
   ret,status := <-c
   fmt.Printf("go rountine 1 ret=%+v,status=%+v n",ret,status)
}()

go func() {
   ret,status := <-c
   fmt.Printf("go rountine 2 ret=%+v,status=%+v n",ret,status)
}()

close(c)  
time.Sleep(1*time.Second) 

虽然通道可以关闭，但并不是一个必须执行的方法，因为通道本身会通过垃圾回收器，根据它是否可以访问来决定是否回收。

遍历通道

遍历通道内的所有数据

c := make(chan int, 5)

c <- 1
c <- 2
c <- 3
c <- 4
c <- 5

go func() {
   for ret := range c{
      fmt.Printf("ret=%d n",ret)
   }
}()

time.Sleep(2*time.Second)

上文很多例子中都在示例的最后加了 time.Sleep(1*time.Second) ，让主程序等待1s钟之后再退出。因为main函数也是一个goroutine，它执行完成就会退出，而不会判断是否有其他协程需要执行。我们让main goroutine等待1s钟，给其他协程足够的执行时间。

select

select是Golang中的控制结构，和其它语言的switch语句写法类似。不过select的case语句必须是通道的读写操作。

如果有多个 case 都可以运行，select 会随机选出一个执行,其他case不会执行。default在没有case可 执行时，总可以执行。

如下示例

c1 := make(chan int ,10)
c2 := make(chan int ,10)
c3 := make(chan int ,10)
var i1, i2 int

c1 <- 10
c3 <- 20
select {
   case i1 = <-c1:
      fmt.Printf("received i1=%d n", i1)  // 输出 received i1=10
   case c2 <- i2:
      fmt.Printf("sent %d n", i2 ) // 输出 sent 0 
   case i3, ok := (<-c3):  // 等价于 i3, ok := <-c3
      if ok {
         fmt.Printf("received i3=%d n", i3) // 输出received i3=20
      } else {
         fmt.Printf("c3 is closedn")
      }
   default:
      fmt.Printf("no communicationn")
}

我们多次运行这段代码会发现， 三个case都有可能执行到，这也验证了，select在满足多个case操作时，会在满足条件的case中随机选择一个执行。

当select语句没有case条件满足，且没有定义default语句时，当前select所在协程会陷入阻塞状态。

通过time.After( 1* time.Second)，方法在1s之后会给通道发送消息，完成对select的超时操作：

c1 := make(chan int)

select{
   case <- c1:
      fmt.Println("print c1" )
   case <-time.After( 1* time.Second):
      fmt.Println("print 1s钟" )
}

select经常和for一起使用，下面是两者一起使用的一些例子：

c1 := make(chan int ,10)
// 把数组中的元素依次放入Channel
for _, str := rang []string{"a","b","c"} {
    select{
        case <- done:
            return
        case c1 <- str
    }
}
done := make(chan int)
// 无限循环，直到满足某个条件，操作done通道，完成循环
for{
    select{
        case <- done:
            return
        default:
            //进行某些操作
    }
}

通道的特性

通过学习Golang语言源码和一些教程中了解到，通道有几个重要的特性，需要理解并牢记。

  1. 通道可以作为参数在函数中传递，当作参数传递时，复制的是引用。
  2. 通道是并发安全的。
  3. 同一个通道的发送操作之间是互斥的，必须一个执行完了再执行下一个。接收操作和发送操作一样。
  4. 缓冲通道的发送操作需要复制元素值，然后在通道内存放一个副本。非缓冲通道则直接复制元素值的副本到接收操作。
  5. 往通道内复制的元素如果是引用类型，则复制的是引用类型的地址。
  6. 缓冲通道中的值放满之后，再往通道内发送数据，操作会阻塞。当有值被取走之后，会优先通知最早被阻塞的goroutine,重新发送数据。如果缓冲通道中的值为空，再从缓冲通道中接收数据也会被阻塞，当有新的值到来时，会优先通知最早被堵塞的goroutine，再次执行接收操作。
  7. 非缓冲通道，无论读写，都是堵塞的，都需要找到配对的操作方才能执行。
  8. 对于刚初始化的nil通道，他的发送和接收操作会永远阻塞。

高级示例

我们使用Channel完成两个常见的问题，以加深对Channel的理解。第一个，借助通道，使两个协程交替输出大小写字母。

package main

import (
   "fmt"
   "time"
)

func main()  {
   arr1 := []string{"a","b","c","d","e"}
   arr2 := []string{"A","B","C","D","E"}
   a := make(chan bool)
   b := make(chan bool)

   go func() {
      for _,str := range arr1{
         if <-a {
            fmt.Printf(str)
            b <- true
         }
      }
   }()

   go func() {
      for _,str := range arr2{
         if <-b {
            fmt.Printf(str)
            a <- true
         }
      }
   }()

   a<-true

   time.Sleep(2*time.Second)
}

我们定义了a,b两个channel，利用无缓冲通道接收堵塞的特性，在两个goroutine中，接收通道的值并作为继续执行的依据，从而达到交替执行的目的。

第二个，爬取指定的网站

package main

import (
   "fmt"
   "time"
)

// 抓取网页内容
func crawl(url string) (result string) {
   time.Sleep(1*time.Second) // 睡眠1s钟模拟抓取完数据
   return url+":抓取内容完成 n"
}

// 保存文件内容到本地
func saveFile(url string,limiter chan bool, exit chan bool) {
   fmt.Printf("开启一个抓取协程 n")

   result := crawl(url)   // 抓取网页内容
   if result != "" {
      fmt.Printf(result)
   }
   <-limiter  // 通知限速协程，抓取完成
   if (exit != nil){
      exit<-true // 通知退出协程，程序执行完成
   }
}

// urls是要爬取的地址，n并发goroutine限制
func doWork(urls []string,n int) {
   limiter := make(chan bool,n) // 限速协程
   exit := make(chan bool) // 退出协程
   for i,value := range urls{
      limiter <- true
      if i == len(urls)-1 {
         go saveFile(value,limiter,exit)
      }else{
         go saveFile(value,limiter,nil)
      }
   }
   <-exit
}

func main() {
   urls := []string{"https://www.lixiang.com/","https://www.so.com","https://www.baidu.com/","https://www.360.com/"}
   doWork(urls, 1)
}

我们通过limiter协程的缓冲区大小，控制协程并发数量。通过exit协程的阻塞，结束最终程序。

实现原理

Channel在Golang中用hchan结构体表示。

type hchan struct {
   qcount   uint           // channel通道中元素个数
   dataqsiz uint           // 环形队列中数据大小
   buf      unsafe.Pointer // 存放实际元素的位置
   elemsize uint16  // channnel类型大小
   closed   uint32  // channnel是否关闭
   elemtype *_type // channel中元素类型
   sendx    uint   // 发送的goroutine在buf中的位置
   recvx    uint   // 接收的goroutine在buf中的位置
   recvq    waitq  // 等待读取的goroutine队列
   sendq    waitq  // 等待写入的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 // channel并发锁
}

buf中存放了所有缓冲的数据，结合sendx，recvx，构造了一个环形队列结构。

通道初始化时，根据元素大小、是否含有指针决定存储空间的分配。当元素大小为0时，只分配hchan结构体的内存就可以了。当没有指针时，连续分配元素大小和结构体大小的内存。当存在指针时，需要给指针元素单独分配内存空间。

通道写入数据的过程中，首先判断是否有正在等待读取的协程，如果有的话，复制数据给此协程；否则继续判断是否有空闲缓冲区，如果有的话把数据复制到缓冲区；否则，把当前goroutine放入等待写入队列。

通道读取数据的流程和写入类似，首先判断是否有等待写入的协程，如果有的话，启动协程的写入操作，复制数据；否则继续判断缓冲区中是否有数据，如果有的话复制数据；否则，把当前goroutine放入等待读取的队列

Go Channel的源码，主要在runtime/chan.go目录下。

总结

本文主要介绍了Go Channel的基本用法，特性，常用场景和实现原理。


原文始发于微信公众号（一行舟）：Go Channel（收藏以备面试）

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文章由极客之音整理，本文链接：https://www.bmabk.com/index.php/post/20305.html

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