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Go语言Channel

• 2017 年 06 月 23 日 • Linux开发

“网络,并发”是Go语言的两大feature。Go语言号称“互联网的C语言”,与使用传统的C语言相比,写一个Server所使用的代码更少,也更简单。写一个Server除了网络,另外就是并发,相对python等其它语言,Go对并发支持使得它有更好的性能。

Goroutine和channel是Go在“并发”方面两个核心feature。

Channel是goroutine之间进行通信的一种方式,它与Unix中的管道类似。

Channel声明:

ChannelType = ( "chan" | "chan" "<-" | "<-" "chan" ) ElementType .

例如:

var ch chan int
var ch1 chan<- int  //ch1只能写
var ch2 <-chan int  //ch2只能读

channel是类型相关的,也就是一个channel只能传递一种类型。例如,上面的ch只能传递int。

在go语言中,有4种引用类型:slice,map,channel,interface。

Slice,map,channel一般都通过make进行初始化:

ci := make(chan int)            // unbuffered channel of integers
cj := make(chan int, 0)         // unbuffered channel of integers
cs := make(chan *os.File, 100)  // buffered channel of pointers to Files

创建channel时可以提供一个可选的整型参数,用于设置该channel的缓冲区大小。该值缺省为0,用来构建默认的“无缓冲channel”,也称为“同步channel”。

Channel作为goroutine间的一种通信机制,与操作系统的其它通信机制类似,一般有两个目的:同步,或者传递消息。

同步

c := make(chan int)  // Allocate a channel.
// Start the sort in a goroutine; when it completes, signal on the channel.
go func() {
    list.Sort()
    c <- 1  // Send a signal; value does not matter.
}()
doSomethingForAWhile()
<-c   // Wait for sort to finigo; discard sent value.

上面的示例中,在子goroutine中进行排序操作,主goroutine可以做一些别的事情,然后等待子goroutine完成排序。

接收方会一直阻塞直到有数据到来。如果channel是无缓冲的,发送方会一直阻塞直到接收方将数据取出。如果channel带有缓冲区,发送方会一直阻塞直到数据被拷贝到缓冲区;如果缓冲区已满,则发送方只能在接收方取走数据后才能从阻塞状态恢复。

消息传递

我们来模拟一下经典的生产者-消费者模型。

func Producer (queue chan<- int){
        for i:= 0; i < 10; i++ {
                queue <- i
        }
}

func Consumer( queue <-chan int){
        for i :=0; i < 10; i++{
                v := <- queue
                fmt.Println("receive:", v)
        }
}

func main(){
        queue := make(chan int, 1)
        go Producer(queue)
        go Consumer(queue)
        time.Sleep(1e9) //让Producer与Consumer完成
}

上面的示例在Producer中生成数据,在Consumer中处理数据。
运行结果:

receive: 0
receive: 1
receive: 2
receive: 3
receive: 4
receive: 5
receive: 6
receive: 7
receive: 8
receive: 9

Server编程模型

在server编程,一种常用的模型:主线程接收请求,然后将请求分发给工作线程,工作线程完成请求处理。用go来实现,如下:

func handle(r *Request) {
    process(r)  // May take a long time.
}

func Serve(queue chan *Request) {
    for {
        req := <-queue
        go handle(req)  // Don't wait for handle to finigo.
    }
}

一般来说,server的处理能力不是无限的,所以,有必要限制线程(或者goroutine)的数量。在C/C++编程中,我们一般通过信号量来实现,在go中,我们可以通过channel达到同样的效果:

var sem = make(chan int, MaxOutstanding)

func handle(r *Request) {
    sem <- 1    // Wait for active queue to drain.
    process(r)  // May take a long time.
    <-sem       // Done; enable next request to run.
}

func Serve(queue chan *Request) {
    for {
        req := <-queue
        go handle(req)  // Don't wait for handle to finigo.
    }
}

我们通过引入sem channel,限制了同时最多只有MaxOutstanding个goroutine运行。但是,上面的做法,只是限制了运行的goroutine的数量,并没有限制goroutine的生成数量。如果请求到来的速度过快,会导致产生大量的goroutine,这会导致系统资源消耗完全。
为此,我们有必要限制goroutine的创建数量:

func Serve(queue chan *Request) {
    for req := range queue {
        sem <- 1
        go func() {
            process(req) // Buggy; see explanation below.
            <-sem
        }()
    }
}

上面的代码看似简单清晰,但在go中,却有一个问题。Go语言中的循环变量每次迭代中是重用的,更直接的说就是req在所有的子goroutine中是共享的,从变量的作用域角度来说,变量req对于所有的goroutine,是全局的。
这个问题属于语言实现的范畴,在C语言中,你不应该将一个局部变量传递给另外一个线程去处理。有很多解决方法,这里有一个讨论。从个人角度来说,我更倾向下面这种方式:

func Serve(queue chan *Request) {
    for req := range queue {
        sem <- 1
        go func(r *Request) {
            process(r)
            <-sem
        }(req)
    }
}

至少,这样的代码不会让一个go的初学者不会迷糊,另外,从变量的作用域角度,也更符合常理一些。

在实际的C/C++编程中,我们倾向于工作线程在一开始就创建好,而且线程的数量也是固定的。在go中,我们也可以这样做:

func handle(queue chan *Request) {
    for r := range queue {
        process(r)
    }
}

func Serve(clientRequests chan *Request, quit chan bool) {
    // Start handlers
    for i := 0; i < MaxOutstanding; i++ {
        go handle(clientRequests)
    }
    <-quit  // Wait to be told to exit.
}

开始就启动固定数量的handle goroutine,每个goroutine都直接从channel中读取请求。这种写法比较简单,但是不知道有没有“惊群”问题?有待后续分析goroutine的实现。

传递channel的channel

channel作为go语言的一种原生类型,自然可以通过channel进行传递。通过channel传递channel,可以非常简单优美的解决一些实际中的问题。

在上一节中,我们主goroutine通过channel将请求传递给工作goroutine。同样,我们也可以通过channel将处理结果返回给主goroutine。
主goroutine:

type Request struct {
    args        []int
    resultChan  chan int
}

request := &Request{[]int{3, 4, 5}, make(chan int)}
// Send request
clientRequests <- request
// Wait for response.
fmt.Printf("answer: %d\n", <-request.resultChan)

主goroutine将请求发给request channel,然后等待result channel。子goroutine完成处理后,将结果写到result channel。

func handle(queue chan *Request) {
    for req := range queue {
     result := do_something()
        req.resultChan <- result
    }
}

多个channel

在实际编程中,经常会遇到在一个goroutine中处理多个channel的情况。我们不可能阻塞在两个channel,这时就该select场了。与C语言中的select可以监控多个fd一样,go语言中select可以等待多个channel。

    c1 := make(chan string)
    c2 := make(chan string)

    go func() {
        time.Sleep(time.Second * 1)
        c1 <- "one"
    }()
    go func() {
        time.Sleep(time.Second * 2)
        c2 <- "two"
    }()

    for i := 0; i < 2; i++ {
        select {
        case msg1 := <-c1:
            fmt.Println("received", msg1)
        case msg2 := <-c2:
            fmt.Println("received", msg2)
        }
    }

在C中,我们一般都会传一个超时时间给select函数,go语言中的select没有该参数。

select语句

select语句可以用于多个channel的读或者写。它与switch语句比较类似,只不过select只用于channel。 如果有多个channel可以处理,那么select随机选择一个channel处理:

for {  // send random sequence of bits to c
    select {
    case c <- 0:  // note: no statement, no fallthrough, no folding of cases
    case c <- 1:
    }
}

如果所有channel都不能处理,如果有default语句,则执行default,如果没有default,则会阻塞,直到有channel可以处理。一个处理nil channel,没有default的select会永远阻塞。这常用于daemon程序。

select {}  // block forever

考虑如下代码:

package main
import "fmt"
func main(){
    fmt.Println("start")
    select{
    }
}

上面的代码会返回下面的错误:

$ go run select1_ex.go 
start
fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

需要改成下面这种方式:

package main
import "time"
import "fmt"
func main(){
    fmt.Println("start")
    go func(){
        for {
            time.Sleep(time.Second * 1)
            fmt.Println("do some work")
        }
    }()

    select{
    }
}

参考golang spec: Select statements

超时

由于select本身并不支持超时,我们需要额外的手段来模拟超时:

timeout := make(chan bool, 1)
go func() {
    time.Sleep(1 * time.Second)
    timeout <- true
}()

select {
case <-ch:
    // a read from ch has occurred
case <-timeout:
    // the read from ch has timed out
}

我们可以通过一个单独的timeout channel和goroutine来实现超时机制。

标签: Go
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