【文末有惊喜！】一文读懂golang channel
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前言
golang是一门非常适合开发高并发服务的语言，而goroutine是golang并行设计的核心。goruntine其实是语言级协程，它非常的轻量，只需要非常少的内存（4～5kb，当然会根据运行环境和数据进行伸缩）。也正因为它的轻量，使得golang的开发者能够通过简单的代码就能够搭起能支撑成千上万并发的web服务。而在golang并发编程中最核心的问题，就是如何进行goroutine间通信。
golang社区中有一句非常经典的话：不要通过共享内存来通信，而应该通过通信来共享内存。在并发场景下，通过共享内存进行进程间通信，需要解决数据的线程安全问题，要加大量的锁。当然在golang所提供的sync包中也提供了传统的锁机制，但程序中使用过多的锁，就会加大代码的复杂度，拉低web服务性能，还稍有不慎就会造成死锁，程序崩溃等等。而golang提供的channel机制，为开发者提供了一种优雅的方式，解决goroutine间通信问题。
channel的作用
channel可以理解为一块单独的内存，根据声明的channel类型不同，可以放1个或以上的数据值。如果channel中的数据已满，那数据的生产者的发送操作会被阻塞直到channel中的数据值被消费者取走。如果channel里没有数据时，那么消费者的读取操作会被阻塞直到生产者往channel中放入新的数据为止。
channel分类
channel 分两种：Unbuffered channels(无缓冲channel，也称为同步channel) 和 Buffered Channels (缓冲形channel）
Unbuffered channels
<ol><li>unbuffered channels用于多goroutine之间同步通信
</li><li>必须使用make来创建channel，并指定channel中存放数据的类型
</li><li>通过操作符 <- 来发送或读取channel中的数据
</li></ol><pre class="has"><code class="language-go">c1 := make(chan int) //用于放置int类型数据的channel c2 := make(chan string) //用于放置string类型数据的channel c1 <- 1 //发送数据到int类型的channel ch := <-c1 //读取channel中的数据保存到变量ch中 </code></pre>Unbuffered channels示例
了解基本语法后，我们来看一个channel的应用例子：
<pre class="has"><code class="language-go">package main import "fmt" func main() { ch := make(chan int) ch <- 1 fmt.Println(<-ch) } </code></pre>上面的代码示例非常简单，创建一个存放int类型数据的channel，往channel中放入数据后，将channel读出并打印。看似完全符合语法逻辑，可当我们编译执行该go文件后，却得到了下面的报错：
这是unbuffered channels应用中一个最经典的死锁。这个死锁是怎么造成的？要了解该死锁的原因，先了解操作unbuffered channels 发送/读取数据的两个原则：
<ol><li>数据的生产者必须在消费者准备就绪的情况下，才能够往channel中发送数据。channel中有数据时，写操作阻塞。
</li><li>数据的消费者必须在生产者准备就绪且channel中有数据的情况下才能够读取数据。channel中无数据时，读操作阻塞。
</li></ol>而上图中的示例之所以会发生死锁，是因为生产者(第7行)往unbuffered channel中发送数据前，必须等待消费者(第8行）准备就绪。当程序执行到第7行时，由于消费者未就绪，生产者发送操作被阻塞。同时又因为main线程阻塞，无法执行到第8行，导致消费者永远无法就绪，相互等待导致死锁。要想解决死锁，必须将消息的发送和接收操作放在不同的goroutine中（也可以把其中一个放到main进程中），如下图的示例：
笔者建议初学者在刚进行channel开发时，可以在生产者/消费者的声明中指定对channel的操作方向，如上图中的"c <em><-chan</em> string" 和 "c <em>chan<-</em> string"。"<-chan" 用于声明该变量只能用于读取，"chan<-"用于声明该变量只能用于写入。这样的强制声明有助于在开发复杂的程序逻辑时避免弄错操作方向，不慎造成死锁。如下方的示例：
Buffered Channels
1.buffered channel用于goroutine间的异步通信
2.必须使用make创建channel，同时指定channel中存放的数据类型和缓冲区大小
<pre class="has"><code class="language-go">c1 := make(chan string, 10) //创建一个缓冲区大小为10的缓冲channel c1 <- "hello" //发送数据到string类型的缓冲channel ch := <-c1 //读取channel中的数据保存到变量ch中 </code></pre>Buffered Channels示例
在上图示例中，我们创建了一个缓冲区长度为1的缓冲channel，然后往缓冲channel放入数据，最后读取出来并打印。这里我们可以看到Unbuffered channel和Buffered channel之间最大的区别。相似的代码逻辑，使用Buffered channel却不会造成死锁。也就是说即使Buffered channel声明的缓冲区长度为1（只能一次发送一个数据），但也不等同于Unbuffered channel。下面是Buffered channel的两个原则：
1.生产者在往Buffered channel放入数据时，不需要等待消费者就绪，只要channel缓冲区有位置即可放入。缓冲区满时写操作阻塞。
2.消费者读取Buffered channel中的数据时，不需要等待生产者就绪，只要channel缓冲区中有数据即可读取。缓冲区空时读操作阻塞。
为了更直观的对比Unbuffered channel和Buffered channel，笔者做了下面的对比：
<table><thead><tr><th>
</th><th>Unbuffered channel</th><th>Buffered channel</th></tr></thead><tbody><tr><td>相同点</td><td>1.有数据时阻塞写操作
2.无数据时阻塞读操作</td><td>1.缓冲区满时阻塞写操作
2.缓冲区无数据时阻塞读操作</td></tr><tr><td>不同点</td><td>1.只能放一个变量
2.同步通信，通信双方必须都为就绪状态</td><td>1.可以放一个及以上变量
2.异步通信，通信时双方无需都为就绪状态</td></tr></tbody></table>
引用The Nature Of Channels In Go中的两张图来说明Unbuffered channels 和 Buffered channel：
Unbuffered channel：
buffered channels：
总结
1.使用Unbuffered channel通信就像是<em>两个人在打电话</em>，通话的双方都必须是准备就绪的状态，不能干别的事情，通话的内容也是实时交换的。
2.使用Buffered channel通信就像是两个人共用<em>一个信箱通过写信来传递消息</em>，写信的人不用关心收信人的状态，收信人收信的时候也不用关心写信人的状态。只要信箱装得下，写信人就可以一直塞信进去。同样只要信箱不空，收信人就可以一直收取新的信件。
对比完两种channel的不同点，我们再来讲讲channel还有哪些操作和特性：
1.两种channel都必须用make实例化。对于为nil的channel，读/写操作都阻塞。close一个nil的channel会导致panic。2.两种channel都可以重复使用，不断的读/写数据。开发过程中，可以使用普通的for循环或更灵活的range方式读取数据。使用range方式，能够不断的读取channel中数据，直到channel被显式的关闭。
3.channel可以通过chose来关闭。但要注意的是：
<ul><li>已经被关闭的channel，生产者是无法再写入数据的（会导致panic），但关闭的channel依然可以被消费者读取。消费者可以通过 data,ok:=<-ch 的方式来获取通道中的数据和channel是否已被关闭（当ok==false时为关闭）。
</li><li>当只有一个生产者时，channel应该有生产者发送完数据后或需要结束消费者的range操作时关闭。
</li><li>有多个生产者时，如果生产者明确知道消息已经发送完且channel未被关闭的情况下，建议由生产者关闭channel。或者可以通过引入监控者监控生产者状态，最后负责关闭channel。close一个已经被关闭的生产者会导致panic，虽然可以使用recover panic的方式保证程序正常运行，但如此粗暴的处理方式，有强迫症的笔者表示可以用但不太建议。
</li><li>close channel不是必须的，如果channel没有再被goroutine引用，最终也会被GC清理掉
</li></ul>4.可以通过select来管理多个channel的读/写操作。当有多个channel准备就绪时，会随机选择其中一个case操作执行。select类似平常用的switch，不同的case可用于监听不同channel的写入/读取操作，而当所有监听的channel都未准备就绪时，会默认执行default操作。
如上图，main线程监听ch的读取操作，由于子goroutine执行time.Sleep 1s操作，导致ch的生产者无法就绪，ch的读操作阻塞，main线程默认执行了default中定义的操作。如果想要保持持续监听的状态，可以用for{}将该select代码块包起来。
channel的典型应用
1.并发处理多任务，并收集处理执行结果
如上图示例所示，需要根据n个id查询n个用户的信息，并以最快的速度返回结果。这个时候就可以使用goroutine发起n个并发请求，并将请求的结果通过userChannel发送给main线程。main线程收集完n个用户信息后，再做其他业务处理。
但在实际的应用场景中，<em>往往第三方api或网络环境并不是100%可靠的</em>。在上图的示例中，只要有一个goroutine超时，mian线程会由于未收集完所有用户信息而一直等待造成阻塞。为了解决这个问题，我们可以上述例子中引入time.After。
如下图红框所示，再创建一个二级的goroutine和一个临时的tmpChannel。二级的goroutine用于请求api并将结果放入tmpChannel。一级goroutine使用select监听tmpChannel是否有数据，有数据的情况下将数据发送给main线程。如果监听超过1s（认为api超时），则将nil发送给main线程，作为获取该id用户信息失败的标识。
上图的示例，其实就是一个最初级版本的“隔离熔断器”模型。<em>将不可靠的外部依赖交由子goroutine执行，并监控其执行情况</em>。在外部依赖故障的情况下，执行“降级操作”（case <-time.After部分），以降低故障的外部依赖对main逻辑的影响。这些外部依赖可以是各种各样的网络/io请求：mysql/redis/http等等。
而在“降级操作”中，我们还可以再添加channel用于发送错误统计数据，并使用一个单独的master goroutine接收错误统计数据并作分析：
<ol><li>在n秒内外部依赖超时m次时，可以标识该外部依赖不可用，下一次需要请求api时，跳过请求逻辑直接执行“降级操作”
</li><li>间隔k秒后再将该外部依赖标识为可用，反复监控其状态。
</li></ol>以上都是一个完备的隔离熔断器所具备的功能点，读者有兴趣的也可以找一些相关的源码来看，这里不再展开赘述。
2.并发控制
一个能处理并发请求的web服务通常都不可避免的需要将请求压力下方至基础服务层。但基础服务往往承载n多个上层业务，基础服务一旦抗不住down掉了极有可能导致一连串的上层服务雪崩。除了基础业务本身应提高自身可支撑的并发量外，<em>其实上层业务也有义务在尽可能的情况下，控制下放到基础服务的并发请求量，起消峰填谷的作用</em>。下面的示例，是一个简单的并发控制器，用到了同步锁和channel。
<pre class="has"><code class="language-go">// 1.定义并发控制器 type ConcurrentCtrl struct { lock *sync.Mutex //操作本示例同步锁 maxNum int //最大同时执行任务数 currentNum int //当前执行任务数 jobNum int //任务等待队列长度 jobQueueStart *jobNode //队列头 jobQueueEnd *jobNode //队列尾 addJob chan *jobNode //添加任务channel通知 finishJob chan bool //完成任务channel通知 } // 2.使用的时候,对控制器初始化并创建启用一个master的goroutine func NewConcurrentCtrl(maxNum int) *ConcurrentCtrl { pool := &ConcurrentCtrl{ maxNum: maxNum, addJob: make(chan *jobNode), finishJob: make(chan bool), lock: new(sync.Mutex), } go pool.startMaster() //管理控制器的独立goroutine return pool } // 3.管理器逻辑 func (p *ConcurrentCtrl) startMaster() { for { select { case newJob := <-p.addJob: // 收到一个新任务, 先检查是否可以创建新goroutine if p.addCurrentNum() { go p.runJob(newJob) } else { //不能创建goroutine，排队 p.pushNode(newJob) } case <-p.finishJob: //一个任务结束, 检查队列中是否有任务; 有, 创建goroutine执行; 没有, 减currentNum if node := p.popNode(); node != nil { go p.runJob(node) } else { p.subCurrentNum() } } } } </code></pre>管理器通过监听addJob和finishJob两个channel, 控制正在执行的任务数。当控制器goroutine监听到添加任务的消息时，先检查正在执行的任务数，正在执行任务数小于最大任务数时，正在执行任务数 1，并创建子goroutine处理任务逻辑。当子goroutine执行完任务逻辑后，发送finishJob通知控制器。控制器监听到完成任务的消息时，检查是否有正在排队的任务，如果有，直接执行，否则执行任务数-1。如下图所示，红色部分为master逻辑。
上面的基础模型，除了可以管理并发任务外，还可以作为长连接管理，例如mysql长连接池（当然具体逻辑要复杂许多）。有兴趣的读者也可以尝试阅读这些源码深度体验channel的应用。
THE END
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