Go的管道的简单使用方法

风兼露
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Go语言的管道（Channel）是一种用于在多个goroutine之间进行通信和同步的原语。它可以让一个goroutine发送消息到另一个goroutine，也可以让两个goroutine在某个时间点阻塞等待彼此。

Channel的本质是一个队列

  • Channel是线程安全的, 也就是自带锁定功能

  • Channel声明和初始化

  • 声明: var 变量名chan 数据类型

    初始化: mych := make(chan 数据类型, 容量)

    Channel和切片还有字典一样, 必须make之后才能使用

    Channel和切片还有字典一样, 是引用类型

Channel类型

Channel的本质是一个队列，Channel类型的定义格式如下：

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

它包括三种类型的定义。

可选的<-代表channel的方向。如果没有指定方向，那么Channel就是双向的，既可以接收数据，也可以发送数据。

var myCh chan<- int = make(chan<- int, 0)
var myCh <-chan int = make(<-chan int, 0)
//双向管道可以自动转换为任意一种单向管道
//单向管道不能转换为双向管道

<-总是优先和最左边的类型结合。

chan<- chan int    // 等价 chan<- (chan int)
chan<- <-chan int  // 等价 chan<- (<-chan int)
<-chan <-chan int  // 等价 <-chan (<-chan int)
chan (<-chan int)

使用make初始化Channel,并且可以设置容量:

make(chan int, 100)

容量(capacity)代表Channel容纳的最多的元素的数量，代表Channel的缓存的大小。

缓存管道与阻塞

无缓存管道：如果没有设置容量，或者容量设置为0, 说明Channel没有缓存，只有sender和receiver都准备好了后它们的通讯(communication)才会发生(Blocking)。

有缓存管道：如果设置了缓存，就有可能不发生阻塞， 只有buffer满了后 send才会阻塞， 而只有缓存空了后receive才会阻塞。一个nil channel不会通信。

make的第二个参数指定缓存的大小：ch := make(chan int, 100)。

通过缓存的使用，可以尽量避免阻塞，提供应用的性能。

默认情况下，发送和接收会一直阻塞着，直到另一方准备好。这种方式可以用来在gororutine中进行同步，而不必使用显示的锁或者条件变量。

如官方的例子中x, y := <-c, <-c这句会一直等待计算结果发送到channel中。

import "fmt"
func sum(s []int, c chan int) {
    sum := 0
    for _, v := range s {
        sum += v
    }
    c <- sum // send sum to c
}
func main() {
    s := []int{7, 2, 8, -9, 4, 0}
    c := make(chan int)
    go sum(s[:len(s)/2], c)
    go sum(s[len(s)/2:], c)
    x, y := <-c, <-c // receive from c
    fmt.Println(x, y, x+y)
}

send/receive/close

你可以在多个goroutine从/往 一个channel 中 receive/send 数据, 不必考虑额外的同步措施。

Channel可以作为一个先入先出(FIFO)的队列，接收的数据和发送的数据的顺序是一致的。

  1. send

    send语句用来往Channel中发送数据， 如ch <- 3。

    在通讯(communication)开始前channel和expression必选先求值出来(evaluated)，比如下面的(3+4)先计算出7然后再发送给channel。

    c := make(chan int)
defer close(c)
go func() { c <- 3 + 4 }()
i := <-c
fmt.Println(i)
//send被执行前(proceed)通讯(communication)一直被阻塞着。如前所言，无缓存的channel只有在receiver准备好后send才被执行。如果有缓存，并且缓存未满，则send会被执行。
​

    注意：往一个已经被close的channel中继续发送数据会导致run-time panic，往nil channel中发送数据会一直被阻塞着。

  2. receive

    <-ch用来从channel ch中接收数据，这个表达式会一直被block,直到有数据可以接收。

    注意：从一个nil channel中接收数据会一直被block。

    从一个被close的channel中接收数据不会被阻塞，而是立即返回，接收完已发送的数据后会返回元素类型的零值(zero value)。

    如前所述，你可以使用一个额外的返回参数来检查channel是否关闭。

    x, ok := <-ch
x, ok = <-ch
var x, ok = <-ch
//如果OK 是false，表明接收的x是产生的零值，这个channel被关闭了或者为空

  3. close

    可以通过内建的close方法可以关闭Channel。

    内建的close方法可以用来关闭channel。

    在这里总结一下channel关闭后sender的receiver操作。

    ① 如果channel 已经被关闭,继续往它发送数据会导致panic: send on closed channel:

    import "time"
func main() {
    go func() {
        time.Sleep(time.Hour)
    }()
    c := make(chan int, 10)
    c <- 1
    c <- 2
    close(c)
    c <- 3
}

    ② 从这个关闭的channel中不但可以读取出已发送的数据，还可以不断的读取零值:

    c := make(chan int, 10)
c <- 1
c <- 2
close(c)
fmt.Println(<-c) //1
fmt.Println(<-c) //2
fmt.Println(<-c) //0
fmt.Println(<-c) //0

    但是如果通过range读取，channel关闭后for循环会跳出：

    c := make(chan int, 10)
c <- 1
c <- 2
close(c)
for i := range c {
    fmt.Println(i)
}

    通过i, ok := <-c可以查看Channel的状态，判断值是零值还是正常读取的值。

    c := make(chan int, 10)
close(c)
i, ok := <-c
fmt.Printf("%d, %t", i, ok) //0, false

Range

for …… range语句可以处理Channel，相当于不断轮询的receive

func main() {
    go func() {
        time.Sleep(1 * time.Hour)
    }()
    c := make(chan int)
    go func() {
        for i := 0; i < 10; i = i + 1 {
            c <- i
        }
        close(c)
    }()
    for i := range c {
        fmt.Println(i)
    }
    fmt.Println("Finished")
}
//`range c`产生的迭代值为Channel中发送的值，它会一直迭代直到channel被关闭。上面的例子中如果把`close(c)`注释掉，程序会一直阻塞在`for …… range`那一行。

select

select语句选择一组可能的send操作和receive操作去处理。它类似switch,但是只是用来处理通讯(communication)操作。

它的case可以是send语句，也可以是receive语句，亦或者default。

receive语句可以将值赋值给一个或者两个变量。它必须是一个receive操作。

最多允许有一个default case,它可以放在case列表的任何位置，尽管我们大部分会将它放在最后。

import "fmt"
func fibonacci(c, quit chan int) {
    x, y := 0, 1
    for {
        select {
        case c <- x:
            x, y = y, x+y
        case <-quit:
            fmt.Println("quit")
            return
        }
    }
}
func main() {
    c := make(chan int)
    quit := make(chan int)
    go func() {
        for i := 0; i < 10; i++ {
            fmt.Println(<-c)
        }
        quit <- 0
    }()
    fibonacci(c, quit)
}

如果有同时多个case去处理,比如同时有多个channel可以接收数据，那么Go会伪随机的选择一个case处理(pseudo-random)。如果没有case需要处理，则会选择default去处理，如果default case存在的情况下。如果没有default case，则select语句会阻塞，直到某个case需要处理。

需要注意的是，nil channel上的操作会一直被阻塞，如果没有default case,只有nil channel的select会一直被阻塞。

select语句和switch语句一样，它不是循环，它只会选择一个case来处理，如果想一直处理channel，你可以在外面加一个无限的for循环：

for {
    select {
    case c <- x:
        x, y = y, x+y
    case <-quit:
        fmt.Println("quit")
        return
    }
}

timeout

select有很重要的一个应用就是超时处理。 因为上面我们提到，如果没有case需要处理，select语句就会一直阻塞着。这时候我们可能就需要一个超时操作，用来处理超时的情况。

下面这个例子我们会在2秒后往channel c1中发送一个数据，但是select设置为1秒超时,因此我们会打印出 timeout 1,而不是result 1。

import "time"
import "fmt"
func main() {
    c1 := make(chan string, 1)
    go func() {
        time.Sleep(time.Second * 2)
        c1 <- "result 1"
    }()
    select {
    case res := <-c1:
        fmt.Println(res)
    case <-time.After(time.Second * 1):
        fmt.Println("timeout 1")
    }
}

其实它利用的是time.After方法，它返回一个类型为<-chan Time的单向的channel，在指定的时间发送一个当前时间给返回的channel中。

Timer和Ticker

我们看一下关于时间的两个Channel。 ​ timer是一个定时器，代表未来的一个单一事件，你可以告诉timer你要等待多长时间，它提供一个Channel，在将来的那个时间那个Channel提供了一个时间值。下面的例子中第二行会阻塞2秒钟左右的时间，直到时间到了才会继续执行。

timer1 := time.NewTimer(time.Second * 2)
<-timer1.C
fmt.Println("Timer 1 expired")

当然如果你只是想单纯的等待的话，可以使用time.Sleep来实现。

你还可以使用timer.Stop来停止计时器。

timer2 := time.NewTimer(time.Second)
go func() {
    <-timer2.C
    fmt.Println("Timer 2 expired")
}()
stop2 := timer2.Stop()
if stop2 {
    fmt.Println("Timer 2 stopped")
}

ticker是一个定时触发的计时器，它会以一个间隔(interval)往Channel发送一个事件(当前时间)，而Channel的接收者可以以固定的时间间隔从Channel中读取事件。下面的例子中ticker每500毫秒触发一次，你可以观察输出的时间。

ticker := time.NewTicker(time.Millisecond * 500)
go func() {
    for t := range ticker.C {
        fmt.Println("Tick at", t)
    }
}()

类似timer, ticker也可以通过Stop方法来停止。一旦它停止，接收者不再会从channel中接收数据了。

同步

channel可以用在goroutine之间的同步。

下面的例子中main goroutine通过done channel等待worker完成任务。 worker做完任务后只需往channel发送一个数据就可以通知main goroutine任务完成。

import (
    "fmt"
    "time"
)
func worker(done chan bool) {
    time.Sleep(time.Second)
    // 通知任务已完成
    done <- true
}
func main() {
    done := make(chan bool, 1)
    go worker(done)
    // 等待任务完成
    <-done
}

下面一个综合使用，使用管道的通知达到协程之间通信的目的

A协程发送0-9数字

B协程计算输入数字的平方

主协程输出计算后的数字

func main() {
    src := make(chan int)
    dest := make(chan int, 3)
    go func() {
        defer close(src)
        for i := 0; i < 10; i = i + 1 {
            src <- i
        }
    }()
    go func() {
        defer close(dest)
        for i := range src {
            dest <- i * i
        }
    }()
    for i := range dest {
        fmt.Println(i)
    }
    fmt.Println("Finished")
}
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