Golang并发编程-channel实战篇

　　　　　　　　　Golang并发编程-channel实战篇

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　作者：尹正杰

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一.channel概述

　　channel是Go语言中的一个核心类型，可以把它看成管道。并发核心单元通过它就可以发送或者接收数据进行通讯，这在一定程度上又进一步降低了编程的难度。

　　channel是一个数据类型，主要用来解决go程的同步问题以及go程之间数据共享(数据传递)的问题。

　　goroutine运行在相同的地址空间，因此访问共享内存必须做好同步。goroutine 奉行通过通信来共享内存，而不是共享内存来通信。

　　引⽤类型channel可用于多个goroutine通讯。其内部实现了同步，确保并发安全。

1>.无缓冲的channel

　　无缓冲的通道(unbuffered channel)是指在接收前没有能力保存任何数据值的通道。

　　这种类型的通道要求发送goroutine和接收goroutine同时准备好，才能完成发送和接收操作。否则，通道会导致先执行发送或接收操作的goroutine阻塞等待。

　　这种对通道进行发送和接收的交互行为本身就是同步的。其中任意一个操作都无法离开另一个操作单独存在。

　　阻塞：
　　　　由于某种原因数据没有到达，当前go程（线程）持续处于等待状态，直到条件满足，才解除阻塞。

　　同步：
　　　　在两个或多个go程（线程）间，保持数据内容一致性的机制。

　　下图展示两个 goroutine 如何利用无缓冲的通道来共享一个值：
　　　　在第1步，两个goroutine都到达通道，但哪个都没有开始执行发送或者接收。
　　　　在第2步，左侧的goroutine将它的手伸进了通道，这模拟了向通道发送数据的行为。这时，这个goroutine会在通道中被锁住，直到交换完成。
　　　　在第3步，右侧的goroutine将它的手放入通道，这模拟了从通道里接收数据。这个goroutine一样也会在通道中被锁住，直到交换完成。
　　　　在第4步和第5步，进行交换，并最终在第6步，两个goroutine都将它们的手从通道里拿出来，这模拟了被锁住的goroutine得到释放。两个goroutine现在都可以去做其他事情了。

　　无缓冲的channel创建格式：
　　　　 make(chan Type)   //等价于"make(chan Type, 0)",如果没有指定缓冲区容量，那么该通道就是同步的，因此会阻塞到发送者准备好发送和接收者准备好接收。

2>.有缓冲的channel

　　有缓冲的通道（buffered channel）是一种在被接收前能存储一个或者多个数据值的通道。

　　这种类型的通道并不强制要求 goroutine 之间必须同时完成发送和接收。通道会阻塞发送和接收动作的条件也不同。

　　只有通道中没有要接收的值时，接收动作才会阻塞。

　　只有通道没有可用缓冲区容纳被发送的值时，发送动作才会阻塞。

　　这导致有缓冲的通道和无缓冲的通道之间的一个很大的不同：无缓冲的通道保证进行发送和接收的 goroutine 会在同一时间进行数据交换；有缓冲的通道没有这种保证。

　　示例图如下：
　　　　在第1步，右侧的 goroutine 正在从通道接收一个值。
　　　　在第2步，右侧的这个 goroutine独立完成了接收值的动作，而左侧的 goroutine 正在发送一个新值到通道里。
　　　　在第3步，左侧的goroutine 还在向通道发送新值，而右侧的 goroutine 正在从通道接收另外一个值。这个步骤里的两个操作既不是同步的，也不会互相阻塞。
　　　　最后，在第4步，所有的发送和接收都完成，而通道里还有几个值，也有一些空间可以存更多的值。

　　有缓冲的channel创建格式：
　　　　make(chan Type, capacity) //如果给定了一个缓冲区容量，通道就是异步的。只要缓冲区有未使用空间用于发送数据，或还包含可以接收的数据，那么其通信就会无阻塞地进行。借助函数 len(ch) 求取缓冲区中剩余元素个数， cap(ch) 求取缓冲区元素容量大小。

二.channel的基本使用

1>.定义有缓冲区管道

package main

import "fmt"

func main() {
    /**
    和map类似，channel也一个对应make创建的底层数据结构的引用，创建channel语法格式如下所示:
        make(chan Type,capacity)

    以下是相关参数说明:
        chan:
            是创建channel所需使用的关键字。
        Type:
            是指定channel收发数据的类型。
        capacity:
            是指定channel的大小。
            当参数"capacity = 0"时,channel是无缓冲阻塞读写的，即该channel无容量。
            当参数"capacity > 0"时,channel有缓冲,是非阻塞的,直到写满capacity个元素才阻塞写入。
    */
    s1 := make(chan int, 3) //定义一个有缓冲区的channel

    //向channel写入数据
    s1 <- 110
    s1 <- 119
    s1 <- 120

    /**
    注意哈，由于上面已经写了3个数据了，此时s1这个channel的容量已经达到3个容量上限啦,即该channel已满.
    如果channel已满继续往该channel写入数据则会抛出异常:"fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!"
    */
    //s1 <- 114

    //从channel读取数据
    fmt.Println(<-s1)
    fmt.Println(<-s1, <-s1)

    /**
    上面的代码已经对channel进行读写各三次，此时该channel中并没有数据啦。
    如果channel无数据，我们从该channel读取数据时也会抛出异常:"fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!"
    */
    //fmt.Println(<-s1)
}

2>.定义无缓冲区管道

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func Read(s chan int) {
    defer fmt.Println("读端结束~~~")
    for index := 0; index < 3; index++ {
        fmt.Printf("读取到channel的数据是: %d
", <-s)
    }
}

func Write(s chan int, value int) {
    defer fmt.Println("写端结束...")
    for index := 100; index < value; index++ {
        s <- index
    }
}

func main() {

    /**
    无缓冲区channel特性:
        只有在写段和读端同时准备就绪的情况下才能运行。
    */
    s1 := make(chan int) //定义一个无缓冲区的channel
    //s1 := make(chan int, 10) //定义一个有缓冲区的channel,其容量为10

    go Read(s1)

    go Write(s1, 110)

    /**
    我们让主Goroutine阻塞，写个死循环即可.
    */
    for {
        time.Sleep(1 * time.Second)
    }
}

3>.关闭channel

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "time"
)

func ReadChannel(s chan int) {
    defer fmt.Println("读端结束~~~")
    for index := 0; index < 5; index++ {
        if index == 103 {
            /**
            程序结束的时候，清理掉channel占用的空间，只影响写入，不影响读取。
            */
            close(s)
        }

        /**
        从channel中接收数据，并赋值给value,同时检查通道是否已关闭或者是否为空
        */
        value, ok := <-s
        if !ok { //等效于"ok != true"
            fmt.Println("channel已关闭或者管道中没有数据")
            runtime.Goexit()
        } else {
            fmt.Printf("读取到channel的数据是: %d
", value)
        }
    }
}

func WriteChannel(s chan int, value int) {
    defer fmt.Println("写端结束...")
    for index := 100; index < value; index++ {
        if index == 103 {
            /**
            程序结束的时候，清理掉channel占用的空间，只影响写入，不影响读取。
            */
            close(s)
        }
        s <- index
    }
}

func main() {

    s1 := make(chan int) //定义一个有缓冲区的channel,其容量为10

    go ReadChannel(s1)

    go WriteChannel(s1, 110)

    for {
        time.Sleep(1 * time.Second)
    }
}

三.单向channel 

1>.单向channel概述

　　默认情况下，通道channel是双向的，也就是说，既可以往里面发送数据也可以同里面接收数据。

　　但是，我们经常见一个通道作为参数进行传递而只希望对方是单向使用的，要么只让它发送数据，要么只让它接收数据，这时候我们可以指定通道的方向。

　　温馨提示:
　　　　一般情况下，创建管道都是双向的，在向函数传入数据的时候，可以是单向的。
　　　　只读的管道不能传递给只写的管道，同理，只写的管道也不能传递给只读的管道，但是双向的可以传递给任意单向的管道。

2>.单向管道案例

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

/**
s的类型说明:
    "chan<- int"表示传入只写的管道
*/
func Send(s chan<- int, value int) {
    s <- value
}

/**
r的类型说明:
    "<-chan int"表示传入只读的管道
*/
func Receive(r <-chan int) {
    fmt.Printf("管道中的数据为:%d
", <-r)
}

func main() {

    //创建管道
    s1 := make(chan int, 5)

    go Receive(s1)

    go Send(s1, 110)

    for {
        time.Sleep(1 * time.Second)
    }
}

 

四.单向channel应用案例-生产者消费者模型

1>.什么是生产者消费者模型

　　单向channel最典型的应用是"生产者消费者模型"。

　　生产者消费者模型: 
　　　　某个模块（函数等）负责产生数据，这些数据由另一个模块来负责处理（此处的模块是广义的，可以是类、函数、go程、线程、进程等）。产生数据的模块，就形象地称为生产者；而处理数据的模块，就称为消费者。

　　单单抽象出生产者和消费者，还够不上是生产者／消费者模型。该模式还需要有一个缓冲区处于生产者和消费者之间，作为一个中介。生产者把数据放入缓冲区，而消费者从缓冲区取出数据。

　　举一个寄信的例子来辅助理解一下，假设你要寄一封平信，大致过程如下：
　　　　1>．把信写好——相当于生产者制造数据
　　　　2>．把信放入邮筒——相当于生产者把数据放入缓冲区
　　　　3>．邮递员把信从邮筒取出——相当于消费者把数据取出缓冲区
　　　　4>．邮递员把信拿去邮局做相应的处理——相当于消费者处理数据
　　　　那么，这个缓冲区有什么用呢？为什么不让生产者直接调用消费者的某个函数，直接把数据传递过去，而画蛇添足般的设置一个缓冲区呢？缓冲区的好处大概如下：
　　　　　　解耦:
　　　　　　　　假设生产者和消费者分别是两个类。如果让生产者直接调用消费者的某个方法，那么生产者对于消费者就会产生依赖（也就是耦合）。将来如果消费者的代码发生变化，可能会直接影响到生产者。而如果两者都依赖于某个缓冲区，两者之间不直接依赖，耦合度也就相应降低了。
　　　　　　　　接着上述的例子，如果不使用邮筒（缓冲区），须得把信直接交给邮递员。那你就必须要认识谁是邮递员。这就产生和你和邮递员之间的依赖（相当于生产者和消费者的强耦合）。万一哪天邮递员换人了，你还要重新认识下一个邮递员（相当于消费者变化导致修改生产者代码）。 而邮筒相对来说比较固定，你依赖它的成本也比较低（相当于和缓冲区之间的弱耦合）。　　
　　　　　　处理并发:
　　　　　　　　生产者直接调用消费者的某个方法，还有另一个弊端。由于函数调用是同步的（或者叫阻塞的），在消费者的方法没有返回之前，生产者只好一直等在那边。万一消费者处理数据很慢，生产者只能无端浪费时间。
　　　　　　　　使用了生产者／消费者模式之后，生产者和消费者可以是两个独立的并发主体。生产者把制造出来的数据往缓冲区一丢，就可以再去生产下一个数据。基本上不用依赖消费者的处理速度。
　　　　　　　　其实最当初这个生产者消费者模式，主要就是用来处理并发问题的。
　　　　　　　　从寄信的例子来看。如果没有邮筒，你得拿着信傻站在路口等邮递员过来收（相当于生产者阻塞）；又或者邮递员得挨家挨户问，谁要寄信（相当于消费者轮询）。
　　　　　　缓存(异步处理):
　　　　　　　　如果生产者制造数据的速度时快时慢，缓冲区的好处就体现出来了。当数据制造快的时候，消费者来不及处理，未处理的数据可以暂时存在缓冲区中。等生产者的制造速度慢下来，消费者再慢慢处理掉。
　　　　　　　　假设邮递员一次只能带走1000封信。万一某次碰上情人节送贺卡，需要寄出去的信超过1000封，这时候邮筒这个缓冲区就派上用场了。邮递员把来不及带走的信暂存在邮筒中，等下次过来时再拿走。

2>.生产者消费者模型案例

package main

import (
    "fmt"
    "strconv"
    "time"
)

//定义生产者，假设生产者不消费
func Producer(p chan<- string) {
    defer fmt.Println("生产蛋糕结束")
    for index := 1; index <= 10; index++ {
        p <- "生产了" + strconv.Itoa(index) + "个蛋糕."
    }
}

//定义消费者,假设消费者不生产
func Consumer(c <-chan string) {
    defer fmt.Println("吃饱了")
    for index := 1; index <= 8; index++ {
        fmt.Println(<-c)
    }
}

func main() {
    s1 := make(chan string, 10)

    go Producer(s1)

    go Consumer(s1)

    for {
        time.Sleep(1 * time.Second)
    }
}

五.channel应用案例-定时器

　　Go语言自带time包，包里面定义了定时器的结构，代码如下所示:
　　　　type Timer struct {
　　   　　 C <-chan Time
 　　　　   r runtimeTimer
　　　　}

　　在定时时间到达之前，没有数据会写入到C，如果这个时候读C会一直阻塞，时间到了系统会向time.C中写入当前时间，此时阻塞解除。

　　博主推荐阅读:
　　　　https://www.cnblogs.com/yinzhengjie/p/12244385.html
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