一文初探 Goroutine 与 channel

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陈明勇0423 发表于 2023/04/30 20:06:18 2023/04/30
【摘要】 Go 语言的 CSP 并发模型的实现包含两个主要组成部分:一个是 Goroutine,另一个是 channel。本文将会介绍它们的基本用法和注意事项。

作者:陈明勇
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前言

Go 语言的 CSP 并发模型的实现包含两个主要组成部分:一个是 Goroutine,另一个是 channel。本文将会介绍它们的基本用法和注意事项。

Goroutine

GoroutineGo 应用的基本执行单元,它是一种轻量的用户级线程,其底层是通过 coroutine(协程)去实现的并发。众所周知,协程是一种运行在用户态的用户线程,因此 Goroutine 也是被调度于 Go 程序运行时。

基本用法

语法:go + 函数/方法

通过 go 关键字 + 函数/方法 可以创建一个 Goroutine

代码示例:

import (
   "fmt"
   "time"
)

func printGo() {
   fmt.Println("具名函数")
}

type G struct {
}

func (g G) g() {
   fmt.Println("方法")
}

func main() {
   // 基于具名函数创建 goroutine
   go printGo()
   // 基于方法创建 goroutine
   g := G{}
   go g.g()
   // 基于匿名函数创建 goroutine
   go func() {
      fmt.Println("匿名函数")
   }()
   // 基于闭包创建 goroutine
   i := 0
   go func() {
      i++
      fmt.Println("闭包")
   }()
   time.Sleep(time.Second) // 避免 main goroutine 结束后,其创建的 goroutine 来不及运行,因此在此休眠 1 秒
}

执行结果:

闭包
具名函数
方法
匿名函数

当多个 Goroutine 存在时,它们的执行顺序是不固定的。因此每次打印的结果都不相同。

由代码可知,通过 go 关键字,我们可以基于 具名函数 / 方法 创建 goroutine,也可以基于 匿名函数 / 闭包 创建 goroutine

那么 Goroutine 是如何退出的呢?正常情况下,只要 Goroutine 函数执行结束,或者执行返回,意味着 Goroutine 的退出。如果 Goroutine 的函数或方法有返回值,在 Goroutine 退出时会将其忽略。

channel

channel 在 Go 并发模型中扮演者重要的角色。它可以用于实现 Goroutine 间的通信,也可以用来实现 Goroutine 间的同步。

channel 的基本操作

channel 是一种复合数据类型,声明时需要指定 channel 里元素的类型。

声明语法:var 变量名 chan 类型

通过上述代码声明一个元素类型为 stringchannel,其只能存放 string 类型的元素。channel 是引用类型,必须初始化才能写入数据,通过 make 的方式初始化。

import (
   "fmt"
)

func main() {
   var ch chan string
   ch = make(chan string, 1)
   // 打印 chan 的地址
   fmt.Println(ch)
   // 向 ch 发送 "Go" 数据
   ch <- "Go"
   // 从 ch 中接收数据
   s := <-ch
   fmt.Println(s) // Go
}

通过 ch <- xxx 可以向 channel 变量 ch 发送数据,通过 x := <- ch 可以从 channel 变量 ch 中接收数据。

带缓冲 channel 与无缓冲 channel

如果初始化 channel 时,不指定容量时,则创建的是一个无缓冲的 channel

ch := make(chan string)

无缓冲的 channel 的发送与接收操作是同步的,在执行发送操作之后,对应 Goroutine 将会阻塞,直到有另一个 Goroutine 去执行接收操作,反之亦然。如果将发送操作和执行操作放在同一个 Goroutine 下进行,会发生什么操作呢?看看下述代码:

import (
   "fmt"
)

func main() {
   ch := make(chan int)
   // 发送数据
   ch <- 1 // fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!
   // 接收数据
   n := <-ch
   fmt.Println(n)
}

程序运行之后,会在 ch <- 处得到 fatal error,提示所有的 Goroutine 处于休眠状态,也就是死锁了。为避免这种情况,我们需要将 channel 的发送操作和接收操作放到不同的 Goroutine 中执行。

import (
   "fmt"
)

func main() {
   ch := make(chan int)
   go func() {
      // 发送数据
      ch <- 1
   }()
   // 接收数据
   n := <-ch
   fmt.Println(n) // 1
}

由上述例子可以得出结论:无缓冲 channel 的发送与接收操作,一定要放在两个不同的 Goroutine 中进行,否则会发生 deadlock 形象。


如果指定容量,则创建的是一个带缓冲的 channel

ch := make(chan string, 5)

有缓冲的 channel 与无缓冲的 chennel 有所区别,执行发送操作时,只要 channel 的缓冲区未满,Goroutine 不会挂起,直到缓冲区满时,再向 channel 执行发送操作,才会导致 Goroutine 挂起。代码示例:

func main() {
   ch := make(chan int, 1)
   // 发送数据
   ch <- 1

   ch <- 2 // fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!
}

声明 channel 的只发送类型和只接收类型

  • 既能发送又能接收的 channel

    ch := make(chan int, 1)
    

    通过上述代码获得 channel 变量,我们可以对它执行发送与接收的操作。

  • 只接收的 channel

    ch := make(<-chan int, 1)
    

    通过上述代码获得 channel 变量,我们只能对它进行接收操作。

  • 只发送的 channel

    ch := make(chan<- int, 1)
    

    通过上述代码获得 channel 变量,我们只能对它进行发送操作。

通常只发送 channel 类型和只接收 channel 类型,会被用作函数的参数类型或返回值:

func send(ch chan<- int) {
   ch <- 1
}

func recv(ch <-chan int) {
   <-ch
}

channel 的关闭

通过内置函 close(c chan<- Type),可以对 channel 进行关闭。

  • 在发送端关闭 channel

    channel 关闭之后,将不能对 channel 执行发送操作,否则会发生 panic,提示 channel 已关闭。

    func main() {
       ch := make(chan int, 5)
       ch <- 1
       close(ch)
       ch <- 2 // panic: send on closed channel
    }
    
  • 管道 channel 之后,依旧可以对 channel 执行接收操作,如果存在缓冲区的情况下,将会读取缓冲区的数据,如果缓冲区为空,则获取到的值为 channel 对应类型的零值。

    import "fmt"
    
    func main() {
       ch := make(chan int, 5)
       ch <- 1
       close(ch)
       fmt.Println(<-ch) // 1
       n, ok := <-ch
       fmt.Println(n)  // 0
       fmt.Println(ok) // false
    }
    
  • 如果通过 for-range 遍历 channel 时,中途关闭 channel 则会导致 for-range 循环结束。

小结

本文首先介绍了 Goroutine的创建方式以及其退出的时机是什么。

其次介绍了如何创建 channel 类型变量的有缓冲与无缓冲的创建方式。需要注意的是,无缓冲的 channel 发送与接收操作,需要在两个不同的 Goroutine 中执行,否则会发送 error

接下来介绍如何定义只发送和只接收的 channel 类型。通常只发送 channel 类型和只接收 channel 类型,会被用作函数的参数类型或返回值。

最后介绍了如何关闭 channel,以及关闭之后的一些注意事项。

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