一份尽可能全面的Go channel介绍

写在前面

针对目前网络上Go channel知识点较为分散（很难有单独的一份资料把所有知识点都囊括进来）的情况，在下斗胆站在巨人的肩膀上，总结了前辈的工作，并加入了自己的理解，形成了这篇文章。本文类似于“导航页”或者“查询手册”，旨在帮助读者对Go channel有一个系统、全面的了解，对想要快速上手的读者提供必要的知识、系统的总结和常见的避坑指南，同时也为想要深入探索的同学提供一些优秀的第三方资料（起码在下认为是优秀的）。在此，声明以下几点：

1. 本文不存在抄袭和剽窃。本文没有抄袭任何文章的文字、代码、插图，且所有引用都注明了出处。在此，对本文所引用文章的所有作者，表示由衷的感谢和深深的敬佩，您各位的辛勤付出和无私奉献让我学到了宝贵的知识，谢谢各位前辈！
2. 本文不是对网络内容的摘抄与堆砌。首先，本文对Go channel相关知识点进行了条理化地总结，力求清晰、全面、易读、好理解；其次，本文有在下自己的见解和贡献，如2.6小节的内容（尽管该内容确实无关紧要）、所有插图和代码，以及其它零零散散的内容。
3. 如果您想要通过底层实现和原理来自下而上地了解Go channel，那么您可以直接阅读资料[6][7]，这些前辈的源码解读让在下收益匪浅。等您充分理解了源码，或许就不需要本文了。

正文

一、概览

顾名思义，管道channel是Go中一种特殊的数据类型，用于在Goroutine间传递数据，示意图如下：

注意：
　　1.上图特地画成了右进左出的形式，这与channel的读写语法在视觉上是一致的（继续阅读您就会感受到这一点）。
　　2. 仅在一个单独的Goroutine中使用channel毫无意义，并且容易引发错误。

二、基础知识

2.1 类型声明

channel的类型由关键字"chan"和该channel可以传送的元素的类型组成，如 chan int 表示一个channel，该channel可以传送int类型的数据。注意，Go channel的类型声明是一种独特的存在，它由两个分开的“单词”表示，这种表示方法，就算放眼整个“编程语言界”，也实属罕见（事实上，在下并没有在其它地方见过类似的情形，且在下认为C语言中的 struct custom_type 和这里的 chan int 并不类似）。另外， <-chan elementType 和 chan<- elementType 也是类型声明，分别表示只能从中读取数据的channel和只能向其写入数据的channel，关于channel的方向，2.4小节会详述。

2.2 变量声明与初始化

channel变量的声明有var和make两种方式：

var chanX chan int // only declare; nil channel
fmt.Printf("%v\n", chanX) // <nil>
chanY := make(chan int) // declare & initialize; unbuffered channel
fmt.Printf("%v\n", chanY) // 0xc000086060
chanZ := make(chan int, 10) // declare & initialize; buffered channel
fmt.Printf("%v\n", chanZ) // 0xc0000d6000
var chanW = make(chan int) // declare & initialize; unbuffered channel
fmt.Printf("%v\n", chanW) // 0xc0000860c0
chanX = make(chan int)
fmt.Printf("%v\n", chanX) // 0xc000086120

 注意：
　　1. 如第1行代码所示，单纯的var方式只是声明，并未初始化，channel的值为其默认零值，即nil。nil channel什么也做不了，因此，var形式的声明只是语法上正确，并没有实际作用，除非它后来又被make形式的声明重新赋值，如第9行所示[1][2]。
　　2. make形式能同时声明和初始化channel，又细分为buffered channel（第5行）和unbuffered channel（第3、7、9行），后文会详述。
　　3. 显然，var和make可以一起使用，如第7行所示。
　　4. 从输出可以看出，make创建的channel本质上是一个指针。

2.3 收发操作

　　1. channel的读写使用术语“接收”(receive)和“发送”(send)表示。如果您跟我一样，搞不清“发送”到底指“发送到channel”还是“由channel发送”，那么，请忘记“接收”和“发送”，转而记住“从channel接收”(receive from channel)和“发送到channel”(send to channel)，或者直接记住“读出”和“写入”。
　　2. 接收和发送的操作符都是向左指的箭头("<-")（注意没有向右指的箭头）。箭头由channel指出( data := <-chanX )表示接收(receive from)/读出；箭头指向channel( chanX <- data )表示发送(send to)/写入。
　　3. 读出操作可以是 data := <-chanX 、 data = <-chanX 、 _ = <-chanX 、 <-chanX、 、 data, ok := <-chanX 几种，其中 data = <-chanX 中data必须已事先声明。 data <-chanX 是不可以的，因为 data <-chanX 会被编译器认为是将变量chanX的值写入到管道data（请见第2条），而不是从管道chanX中读出内容到变量data。

2.4 方向（读写限定）

2.4.1 单向channel的作用

如2.1节所示，可以声明单向channel（只能从该channel接收数据或只能发送数据到该channel）。显然，单向channel是不能用于Goroutine之间通信的，那么，单向channel的作用是什么呢？单向channel主要用于函数形参或函数返回值，用来限制某channel在函数体中是只读/只写的，或者限制某函数返回的channel是只读/只写的。这一点类似于C++中使用const修饰函数形参或返回值。参考资料[2]和[3]对这一点有详细的介绍。

2.4.2 转换限制

双向channel可以转换为单向channel，但反之不行[2]。

2.5 本质类型

从2.1节可以看出，channel是一个指针[4]。

2.6 为什么不是chan[elementType]

这是一个无聊的问题，也是一个没有什么探究价值的问题。这里仅给出在下毫无根据的猜测。看到 chan[int] ，您会想到什么？在下想到了Go的 map[string]int 以及C++的 vector<int> 。后者是什么？数据结构！但channel不是数据结构，也不该被视为数据结构，它是Goroutine间通信的载体、媒介。在我们由经验而来的潜意识里，<>或[]前面的“单词”往往表示数据结构的类型，而<>或[]中的“单词”往往表示该数据结构存储的数据的类型。但channel不是数据结构，它是用来传递数据而非存储数据的，尽管channel中实际上有一个用来缓存数据的循环队列，但这只是暂时的缓存，目的依然是为了传递数据（想想快递柜）。因此，为了在形式上提醒程序员channel不是数据结构，Go为channel采用了 chan elementType 这样一种“蹩脚”的类型声明，而不是容易让人误会的 chan[elementType] 。再次强调，这仅是在下的猜测，且毫无根据。

2.7 FIFO性质

channel具有先进先出(FIFO)的性质（早期的Go channel并不严格遵循FIFO原则[5]），而且其内部也确实使用了循环队列，然而，正如2.6节所说，channel不是数据结构，也不应被视为队列。

2.8 len和cap

可以对channel使用 len() 和 cap() 函数， len() 返回当前channel缓冲区中已有元素的个数（快递柜中快递的件数）， cap() 返回缓冲区的总容量（快递柜格子的总数）。对于nil channel ( var chanX chan int )和unbuffered channel ( chanY := make(chan int) )， len() 和 cap() 的结果都是0，读者可自行编码验证。

2.9 锁

使用channel不用显式加锁了吧？是的，除非你的代码中还有其它必须加锁的逻辑。但请注意，channel的内部实现使用了互斥锁。

三、nil channel

关于nil channel，请了解：

　　1. nil channel毫无用处。
　　2. nil channel是channel的默认零值。
　　3. 向nil channel写数据，或从nil channel中读数据，会永久阻塞(block)，但不会panic。
　　4. 关闭(close)一个nil channel会触发pannic。

四、buffered channel & unbuffered channel

4.1 概述

buffered channel是指有内部缓冲区（buffer，由循环队列实现）的channel，buffer大小由make的第二个参数指定，如 chanX := make(chan int, 3) 的buffer大小为3，最多能暂存3个数据。当发送者向channel发送数据而接收者还没有就绪时，如果buffer未满，就会将数据放入buffer；当接收者从channel读取数据时，如果buffer中有数据，会将buffer中的第一个数据（队首）取出，给到接收者。利用buffered channel，可以实现Goroutine间的异步通信。

unbuffered channel就是内部缓冲区大小为0的channel。由于没有暂存数据的地方，unbuffered channel的数据传输只能是同步的，即只有读写双方都就绪时，通信才能成功[8]，此时，数据直接从发送者拷贝给接收者(请看源码注释)。只要读写双方中的一方没有就绪，通信就一直block。

资料[2]中送快递的比方很是形象。buffered channel就像是有快递柜的快递系统，快递员不必等到取件人到达，他只要把快递放到快递就可以了，不必关心收件人何时来取快递。当然，如果快递柜已满，快递员就必须等到收件人到达，然后直接将快递交到收件人手上，不必经过快递柜。同样，收件人也不必眼巴巴等着快递员，他只要到快递柜取快递就行了。这种情况下快递收发是异步的。unbuffered channel就像是没有快递柜的快递系统，只能是收发双方当面交接。需要注意的是，快递系统没有严格的先来后到限制，而channel是严格FIFO的。第一个接收者必然会得到buffer中的第一个数据，以此类推。

下面是两种channel的图示，特别地，unbuffered channel更像是“厚度”为0的“传送门”。相比于在下的简明版图示，资料[2]和[6]中的示意图更加形象，但没有突出两种channel在结构上的差别。

                                                ▲buffered channel

 

                             ▲unbuffered channel

 此外，unbuffered channel可以用于Goroutine间的同步，资料[2]和[9]已经提供了很好的示例代码，在下就不献丑了。

4.2 示例

请看下面的代码：

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {
	mychnl := make(chan int)

	go func() {
		fmt.Println("send 100")
		mychnl <- 100
		fmt.Println("has sent")
	}()
}

运行上面代码，不会得到任何输出。因为 go 关键字在启动Goroutine后会立即返回，程序继续往下走，当主协程（main函数所在的Goroutine）结束后，整个程序结束，不会等待其它Goroutine（参考资料[10]和[11]）。因此，还没等到输出语句执行，整个程序就结束了。

说句题外话，如果您对主协程中的变量如何“传递”到其它协程感到疑惑，可以学习关于“闭包 变量捕获”的内容，比如参考资料[12]。

我们可以在main函数的最后添加 time.Sleep(1 * time.Second) 以便给输出语句足够的时间。

再运行代码，可以看到第一句输出，但看不到第二句输出，即使增大主协程sleep的时间也不行。原因是：如前所述，unbuffered channel必须在读写双方都就绪时才能传送数据，否则block，因此， mychnl <- 100 一句导致其所在的Goroutine阻塞了（因为没有接收者），直到sleep结束，整个程序随着主协程的退出而结束。

下面，我们使用 sync.WaitGroup 代替sleep，看看会发生什么（请读者自行学习 sync.WaitGroup ）：

package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

func main() {
	mychnl := make(chan int)

	var wg sync.WaitGroup
	wg.Add(1)
	go func() {
		defer wg.Done()
		fmt.Println("send 100")
		mychnl <- 100
		fmt.Println("has sent")
	}()
	wg.Wait()
}

这次，我们同样只得到了第一句输出，并且紧接着就得到了一个 fatal error： fatal error: all goroutines are asleep - deadlock! 。原因是，这里 wg.Wait() 会阻塞等待第13行启动的Goroutine结束，而后者中 mychnl <- 100 阻塞等待一个接收者（快递员等待收件人），显然，接收者永远不会出现，于是，死锁(deadlock)了。

我们可以添加另一个作为接收者的Goroutine来解决这一问题：

package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

func main() {
	mychnl := make(chan int)

	var wg sync.WaitGroup

	wg.Add(1)
	go func() {
		defer wg.Done()
		fmt.Println("send 100")
		mychnl <- 100
		fmt.Println("has sent")
	}()

	wg.Add(1)
	go func() {
		defer wg.Done()
		fmt.Println("begin receive")
		x := <-mychnl
		fmt.Printf("received %v\n", x)
	}()

	wg.Wait()
}

结果是：

begin receive
send 100
has sent
received 100

 如果您对输出的顺序感到疑惑（第一个输出的总是 begin receive 而不是 has sent ），那就请学习一下Goroutine的相关知识吧。

4.3 都可能阻塞

需要强调的是，unbuffered channel、buffered channel都有可能block：

　　1. 对unbuffered channel，当读者/写者未就绪时，写操作/读操作会一直block；
　　2. 对buffered channel，当buffer已满且读者未就绪时，写操作会一直block；同理，当buffer已空且写者未就绪时，读操作会一直block。

基于以上两点，您需要调动起逆向思维来明确以下三点：

　　1. 如果已经有读者在阻塞了，那么，buffer一定是空的且没有写者就绪；
　　2. 如果已经有写者在阻塞了，那么，buffer一定是满的且没有读者就绪；
　　3. 读者和写者不可能同时阻塞。

注意，以上结论对unbuffered channel同样适用，其缓冲区容量为0，既可以视为恒空，也可以视为恒满。弄清了以上内容，才能更好地理解下文中channel的发送/接收逻辑。

4.4 unbuffered channel和nil channel的区别

虽然两者都是buffer容量为0，但是：

　　1. nil channel完全不可用，对它的读写操作将无条件block，即便读写双方都就绪也不行。证据：将4.2节最后一段代码中第9行改为 var mychnl chan int ，再次运行，会得到 fatal error: all goroutines are asleep - deadlock! 错误。
　　2. 当读写双方都就绪时，unbuffered channel可以用来通信。可以利用这一点同步多个Goroutine。

五、发送/接收步骤

这里只梳理基本步骤，异常检查及更多细节，请参考[7]和[6]的源码解读。

发送步骤：
1. 如果存在阻塞等待的接收者（即Goroutine），那么直接将待发送的数据交给“等待接收队列”中的第一个Goroutine。（- 什么？直接交付？如果此时buffer中还有数据，不就跳过去了吗？还怎么满足FIFO？- 不存在！既然都有接收者在等待了，说明buffer必然早就空了！见4.3节）
2. 如果没有在阻塞等待的接收者：
　　2.1 若buffer还有剩余空间，则将待发送的数据送到buffer的队尾；
　　2.2 若buffer已经没有剩余空间了，那么，将发送者（Goroutine）和要发送的数据打包成一个struct，加入到“等待发送队列”的末尾，同时将该发送者block。

接收步骤：
1. 如果存在阻塞等待的发送者（此时要么buffer已满，要么压根就没有buffer）：
　　1.1 若buffer已满，从buffer中取出队首元素交给接收者，同时从“等待发送队列”中取出队首元素（Goroutine和其待发送数据的打包），将其要发送的数据放入buffer的队尾，同时将对应的Goroutine唤醒；
　　1.2 若没有buffer，从“等待发送队列”中取出队首元素，将其要发送的数据直接拷贝给接收者，同时将对应的Goroutine唤醒。
2. 如果没有在阻塞等待的发送者：
　　2.1 若buffer中还有数据，则取出队首元素发给接收者；
　　2.2 若buffer已空，那么，将接收者（Goroutine）和它为要接收的数据准备的地址（ data := <-chanX ， data 的地址）打包成一个struct，加入到“等待接收队列”的末尾，同时将该接收者block。

六、for range读取和select

关于这两点，资料[9]已经有详尽的描述了，读者可前往阅读。这里拾人牙慧，强调两个要点，因为在下认为这两点确实非常重要：

　　1. 如果发送端不是一直发数据，且没有关闭channel，那么，for range读取会陷入block，道理很简单，没有数据可读了。所以，要么您能把控全局，确保您的for range读取不会block；要么，别用for range读channel。
　　2. select不是loop，当它select了一个case执行后，整个select就结束了。所以，如果想要一直select，那就在select外层加上for吧。

七、channel的关闭

您需要知道以下几点：

1. 关闭nil channel，或者关闭一个已经关闭的channel，会panic。
2. channel的关闭是不可逆的，一旦关闭就不能再“打开”了，它没有open函数。
3. 向一个已经关闭的channel写数据，会panic。
4. 从一个已经关闭的channel读数据，会先将buffer中的数据（如果有的话）读出来，然后读到的就是buffer可缓存的数据类型对应的零值。特别注意，即使是unbuffered channel，关闭后也能读出零值，见下面的代码。
　　4.1 为什么不关闭可能阻塞，关闭了反而不阻塞了呢？因为，理论上，不关闭，还是“有念想”的，如果出现写者，还是可以往channel写数据的，这样就有数据可读了；但一旦关闭，就彻底“没念想”了（参考第3条），阻塞一万年也没用，所以就直接返回零值了。
　　4.2 为什么写一个已关闭的channel会panic，而读一个已关闭的channel却不会panic呢？在下也不知道，这里仅给出猜测：写操作要比读操作“危险”（想想POST请求和GET请求），因此，对写操作的处理往往要比对读操作的处理严格。对channel而言，读closed channel只会影响自己（当前Goroutine），而写操作就不同了（试想，如果可以向closed channel写入默认零值，接着这些值又被其它Goroutine读取……）。如果让写closed channel的Goroutine阻塞呢？要明白，这种阻塞是不可能被唤醒的，所以，试想一下，有许多个写channel的Goroutine，然后，某个Goroutine把channel关闭了……那么，为什么不让读 closed channel的Goroutine也panic呢？哎，得饶人处且饶人，能不panic就不panic吧。另一个重要原因是，读操作本身是可以判断读出的数据是来自未关闭的channel还是已关闭的channel的，见第6条。
　　4.3 所谓“读出默认零值”，其实是将对应数据直接置零了。如 data := <-chanX ，若 chanX 已关闭，则 data 直接被置为0值。可以通过阅读源码了解这一点。
5. 利用for range读channel，如果channel关闭，for loop会退出，不会读出默认零值。
6. 可以通过 data, ok := <-chanX 的方式判断channel是否关闭，若关闭， ok 为false，否则， ok 为true。
7. 除非业务需要（如channel被for range读取），否则channel无需显式关闭（参考资料[13]）。资料[14]总结了关闭channel的原则，而资料[15]和资料[7]介绍了优雅关闭channel的方法。

package main

import "fmt"

func main() {
	mychnl := make(chan int)
	close(mychnl)
	x := <-mychnl
	fmt.Printf("%v\n", x)
}

八、源码解读

资料[6]和[7]已经做了非常精彩的解读，在下已无需班门弄斧。这里仅再次强调channel所维护的主要数据结构，以帮助读者更好地理解源码和channel本身。

　　1. channel维护一个循环队列，即缓存区；
　　2. channel维护两个双向链表，分别存储等待向channel写入的Goroutine和等待从channel读数据的Goroutine。

九、引发panic/block的情形

何时会触发panic：
1. 关闭nil channel；
2. 关闭已经关闭的channel；
3. 向已经关闭的channel写数据。

何时会引起block：
1. nil channel的读写会恒阻塞；
2. unbuffered channel，在读写双方未同时就绪时，阻塞；
3. buffered channel，buffer已空且没有等待的写者时，读channel会阻塞；
4. buffered channel，buffer已满且没有等待的读者时，写channel会阻塞；
5. for range读channel，且该channel既没被关闭又没有持续的写者时，阻塞。

参考

[  1] Initializing channels in Go - Ukiah Smith
[  2] Channel · Go语言中文文档
[  3] Go语言的单向通道到底有什么用？ - 知乎
[  4] Getting Started With Golang Channels! Here’s Everything You Need to Know
[  5] Go 语言 Channel 实现原理精要 | Go 语言设计与实现
[  6] 深入理解Golang之channel - 掘金
[  7] 深入 Go 并发原语 — Channel 底层实现
[  8] go - The differences between channel buffer capacity of zero and one in golang - Stack Overflow
[  9] Go Channel 详解
[10] Go 系列教程 —— 21. Go 协程 - Go语言中文网 - Golang中文社区
[11] go - No output from goroutine - Stack Overflow
[12] Go中被闭包捕获的变量何时会被回收 | Tony Bai
[13] go - Is it OK to leave a channel open? - Stack Overflow
[14] channel关闭的注意事项 - Go语言中文网 - Golang中文社区
[15] <译>如何优雅的关闭channel - SegmentFault 思否

写在后面
资料[9]还给出了与channel有关的定时、超时等操作，读者可自行前往学习。

再次感谢本文所有链接对应的作者。在下才疏学浅，错误疏漏之处在所难免，恳请广大读者批评指正，您的批评是在下前进的不竭动力。