Go 系列教程 —— 22. 信道（channel）

欢迎来到 Golang 系列教程的第 22 篇。

在上一教程里，我们探讨了如何使用 Go 协程（Goroutine）来实现并发。我们接着在本教程里学习信道（Channel），学习如何通过信道来实现 Go 协程间的通信。

什么是信道？

信道可以想像成 Go 协程之间通信的管道。如同管道中的水会从一端流到另一端，通过使用信道，数据也可以从一端发送，在另一端接收。

信道的声明

所有信道都关联了一个类型。信道只能运输这种类型的数据，而运输其他类型的数据都是非法的。

chan T 表示 T 类型的信道。

信道的零值为 nil。信道的零值没有什么用，应该像对 map 和切片所做的那样，用 make 来定义信道。

下面编写代码，声明一个信道。

package main

import "fmt"

func main() {  
    var a chan int
    if a == nil {
        fmt.Println("channel a is nil, going to define it")
        a = make(chan int)
        fmt.Printf("Type of a is %T", a)
    }
}

 

由于信道的零值为 nil，在第 6 行，信道 a 的值就是 nil。于是，程序执行了 if 语句内的语句，定义了信道 a。程序中 a 是一个 int 类型的信道。该程序会输出：

channel a is nil, going to define it  
Type of a is chan int

简短声明通常也是一种定义信道的简洁有效的方法。

a := make(chan int)

这一行代码同样定义了一个 int 类型的信道 a。

通过信道进行发送和接收

如下所示，该语法通过信道发送和接收数据。

data := <- a // 读取信道 a  
a <- data // 写入信道 a

信道旁的箭头方向指定了是发送数据还是接收数据。

在第一行，箭头对于 a 来说是向外指的，因此我们读取了信道 a 的值，并把该值存储到变量 data。

在第二行，箭头指向了 a，因此我们在把数据写入信道 a。

发送与接收默认是阻塞的

发送与接收默认是阻塞的。这是什么意思？当把数据发送到信道时，程序控制会在发送数据的语句处发生阻塞，直到有其它 Go 协程从信道读取到数据，才会解除阻塞。与此类似，当读取信道的数据时，如果没有其它的协程把数据写入到这个信道，那么读取过程就会一直阻塞着。

信道的这种特性能够帮助 Go 协程之间进行高效的通信，不需要用到其他编程语言常见的显式锁或条件变量。

信道的代码示例

理论已经够了:)。接下来写点代码，看看协程之间通过信道是怎么通信的吧。

我们其实可以重写上章学习 Go 协程 时写的程序，现在我们在这里用上信道。

首先引用前面教程里的程序。

package main

import (  
    "fmt"
    "time"
)

func hello() {  
    fmt.Println("Hello world goroutine")
}
func main() {  
    go hello()
    time.Sleep(1 * time.Second)
    fmt.Println("main function")
}

 

这是上一篇的代码。我们使用到了休眠，使 Go 主协程等待 hello 协程结束。如果你看不懂，建议你阅读上一教程 Go 协程。

我们接下来使用信道来重写上面代码。

package main

import (  
    "fmt"
)

func hello(done chan bool) {  
    fmt.Println("Hello world goroutine")
    done <- true
}
func main() {  
    done := make(chan bool)
    go hello(done)
    <-done
    fmt.Println("main function")
}

 

在上述程序里，我们在第 12 行创建了一个 bool 类型的信道 done，并把 done 作为参数传递给了 hello 协程。在第 14 行，我们通过信道 done 接收数据。这一行代码发生了阻塞，除非有协程向 done 写入数据，否则程序不会跳到下一行代码。于是，这就不需要用以前的 time.Sleep 来阻止 Go 主协程退出了。

<-done 这行代码通过协程（译注：原文笔误，信道）done 接收数据，但并没有使用数据或者把数据存储到变量中。这完全是合法的。

现在我们的 Go 主协程发生了阻塞，等待信道 done 发送的数据。该信道作为参数传递给了协程 hello，hello 打印出 Hello world goroutine，接下来向 done 写入数据。当完成写入时，Go 主协程会通过信道 done 接收数据，于是它解除阻塞状态，打印出文本 main function。

该程序输出如下：

Hello world goroutine  
main function

我们稍微修改一下程序，在 hello 协程里加入休眠函数，以便更好地理解阻塞的概念。

package main

import (  
    "fmt"
    "time"
)

func hello(done chan bool) {  
    fmt.Println("hello go routine is going to sleep")
    time.Sleep(4 * time.Second)
    fmt.Println("hello go routine awake and going to write to done")
    done <- true
}
func main() {  
    done := make(chan bool)
    fmt.Println("Main going to call hello go goroutine")
    go hello(done)
    <-done
    fmt.Println("Main received data")
}

 

在上面程序里，我们向 hello 函数里添加了 4 秒的休眠（第 10 行）。

程序首先会打印 Main going to call hello go goroutine。接着会开启 hello 协程，打印 hello go routine is going to sleep。打印完之后，hello 协程会休眠 4 秒钟，而在这期间，主协程会在 <-done 这一行发生阻塞，等待来自信道 done 的数据。4 秒钟之后，打印 hello go routine awake and going to write to done，接着再打印 Main received data。

信道的另一个示例

我们再编写一个程序来更好地理解信道。该程序会计算一个数中每一位的平方和与立方和，然后把平方和与立方和相加并打印出来。

例如，如果输出是 123，该程序会如下计算输出：

squares = (1 * 1) + (2 * 2) + (3 * 3) 
cubes = (1 * 1 * 1) + (2 * 2 * 2) + (3 * 3 * 3) 
output = squares + cubes = 50

我们会这样去构建程序：在一个单独的 Go 协程计算平方和，而在另一个协程计算立方和，最后在 Go 主协程把平方和与立方和相加。

package main

import (  
    "fmt"
)

func calcSquares(number int, squareop chan int) {  
    sum := 0
    for number != 0 {
        digit := number % 10
        sum += digit * digit
        number /= 10
    }
    squareop <- sum
}

func calcCubes(number int, cubeop chan int) {  
    sum := 0 
    for number != 0 {
        digit := number % 10
        sum += digit * digit * digit
        number /= 10
    }
    cubeop <- sum
} 

func main() {  
    number := 589
    sqrch := make(chan int)
    cubech := make(chan int)
    go calcSquares(number, sqrch)
    go calcCubes(number, cubech)
    squares, cubes := <-sqrch, <-cubech
    fmt.Println("Final output", squares + cubes)
}

 

在第 7 行，函数 calcSquares 计算一个数每位的平方和，并把结果发送给信道 squareop。与此类似，在第 17 行函数 calcCubes 计算一个数每位的立方和，并把结果发送给信道 cubop。

这两个函数分别在单独的协程里运行（第 31 行和第 32 行），每个函数都有传递信道的参数，以便写入数据。Go 主协程会在第 33 行等待两个信道传来的数据。一旦从两个信道接收完数据，数据就会存储在变量 squares 和 cubes里，然后计算并打印出最后结果。该程序会输出：

Final output 1536

死锁

使用信道需要考虑的一个重点是死锁。当 Go 协程给一个信道发送数据时，照理说会有其他 Go 协程来接收数据。如果没有的话，程序就会在运行时触发 panic，形成死锁。

同理，当有 Go 协程等着从一个信道接收数据时，我们期望其他的 Go 协程会向该信道写入数据，要不然程序就会触发 panic。

package main

func main() {  
    ch := make(chan int)
    ch <- 5
}

 

在上述程序中，我们创建了一个信道 ch，接着在下一行 ch <- 5，我们把 5 发送到这个信道。对于本程序，没有其他的协程从 ch 接收数据。于是程序触发 panic，出现如下运行时错误。

fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

goroutine 1 [chan send]:  
main.main()  
    /tmp/sandbox249677995/main.go:6 +0x80

单向信道

我们目前讨论的信道都是双向信道，即通过信道既能发送数据，又能接收数据。其实也可以创建单向信道，这种信道只能发送或者接收数据。

package main

import "fmt"

func sendData(sendch chan<- int) {  
    sendch <- 10
}

func main() {  
    sendch := make(chan<- int)
    go sendData(sendch)
    fmt.Println(<-sendch)
}

 

上面程序的第 10 行，我们创建了唯送（Send Only）信道 sendch。chan<- int 定义了唯送信道，因为箭头指向了 chan。在第 12 行，我们试图通过唯送信道接收数据，于是编译器报错：

main.go:11: invalid operation: <-sendch (receive from send-only type chan<- int)

一切都很顺利，只不过一个不能读取数据的唯送信道究竟有什么意义呢？

这就需要用到信道转换（Channel Conversion）了。把一个双向信道转换成唯送信道或者唯收（Receive Only）信道都是行得通的，但是反过来就不行。

package main

import "fmt"

func sendData(sendch chan<- int) {  
    sendch <- 10
}

func main() {  
    cha1 := make(chan int)
    go sendData(cha1)
    fmt.Println(<-cha1)
}

 

在上述程序的第 10 行，我们创建了一个双向信道 cha1。在第 11 行 cha1 作为参数传递给了 sendData 协程。在第 5 行，函数 sendData 里的参数 sendch chan<- int 把 cha1 转换为一个唯送信道。于是该信道在 sendData 协程里是一个唯送信道，而在 Go 主协程里是一个双向信道。该程序最终打印输出 10。

关闭信道和使用 for range 遍历信道

数据发送方可以关闭信道，通知接收方这个信道不再有数据发送过来。

当从信道接收数据时，接收方可以多用一个变量来检查信道是否已经关闭。

v, ok := <- ch

上面的语句里，如果成功接收信道所发送的数据，那么 ok 等于 true。而如果 ok 等于 false，说明我们试图读取一个关闭的通道。从关闭的信道读取到的值会是该信道类型的零值。例如，当信道是一个 int 类型的信道时，那么从关闭的信道读取的值将会是 0。

package main

import (  
    "fmt"
)

func producer(chnl chan int) {  
    for i := 0; i < 10; i++ {
        chnl <- i
    }
    close(chnl)
}
func main() {  
    ch := make(chan int)
    go producer(ch)
    for {
        v, ok := <-ch
        if ok == false {
            break
        }
        fmt.Println("Received ", v, ok)
    }
}

 

在上述的程序中，producer 协程会从 0 到 9 写入信道 chn1，然后关闭该信道。主函数有一个无限的 for 循环（第 16 行），使用变量 ok（第 18 行）检查信道是否已经关闭。如果 ok 等于 false，说明信道已经关闭，于是退出 for 循环。如果 ok 等于 true，会打印出接收到的值和 ok 的值。

Received  0 true  
Received  1 true  
Received  2 true  
Received  3 true  
Received  4 true  
Received  5 true  
Received  6 true  
Received  7 true  
Received  8 true  
Received  9 true

for range 循环用于在一个信道关闭之前，从信道接收数据。

接下来我们使用 for range 循环重写上面的代码。

package main

import (  
    "fmt"
)

func producer(chnl chan int) {  
    for i := 0; i < 10; i++ {
        chnl <- i
    }
    close(chnl)
}
func main() {  
    ch := make(chan int)
    go producer(ch)
    for v := range ch {
        fmt.Println("Received ",v)
    }
}

 

在第 16 行，for range 循环从信道 ch 接收数据，直到该信道关闭。一旦关闭了 ch，循环会自动结束。该程序会输出：

Received  0  
Received  1  
Received  2  
Received  3  
Received  4  
Received  5  
Received  6  
Received  7  
Received  8  
Received  9

我们可以使用 for range 循环，重写信道的另一个示例这一节里面的代码，提高代码的可重用性。

如果你仔细观察这段代码，会发现获得一个数里的每位数的代码在 calcSquares 和 calcCubes 两个函数内重复了。我们将把这段代码抽离出来，放在一个单独的函数里，然后并发地调用它。

package main

import (  
    "fmt"
)

func digits(number int, dchnl chan int) {  
    for number != 0 {
        digit := number % 10
        dchnl <- digit
        number /= 10
    }
    close(dchnl)
}
func calcSquares(number int, squareop chan int) {  
    sum := 0
    dch := make(chan int)
    go digits(number, dch)
    for digit := range dch {
        sum += digit * digit
    }
    squareop <- sum
}

func calcCubes(number int, cubeop chan int) {  
    sum := 0
    dch := make(chan int)
    go digits(number, dch)
    for digit := range dch {
        sum += digit * digit * digit
    }
    cubeop <- sum
}

func main() {  
    number := 589
    sqrch := make(chan int)
    cubech := make(chan int)
    go calcSquares(number, sqrch)
    go calcCubes(number, cubech)
    squares, cubes := <-sqrch, <-cubech
    fmt.Println("Final output", squares+cubes)
}

 

上述程序里的 digits 函数，包含了获取一个数的每位数的逻辑，并且 calcSquares 和 calcCubes 两个函数并发地调用了 digits。当计算完数字里面的每一位数时，第 13 行就会关闭信道。calcSquares 和 calcCubes 两个协程使用 for range 循环分别监听了它们的信道，直到该信道关闭。程序的其他地方不变，该程序同样会输出：

Final output 1536

本教程的内容到此结束。关于信道还有一些其他的概念，比如缓冲信道（Buffered Channel）、工作池（Worker Pool）和 select。我们会在接下来的教程里专门介绍它们。感谢阅读。祝你愉快。