Golang的goroutine协程和channel通道

一：简介

因为并发程序要考虑很多的细节，以保证对共享变量的正确访问，使得并发编程在很多情况下变得很复杂。
但是Go语言在开发并发时，是比较简洁的。它通过channel来传递数据。数据竞争这个问题在golang的设计上就进行了规避了。它提倡用通信的方式实现共享，而不要以共享方式来通信
Go语言用2种手段来实现并发程序，goroutine和channel，其支持顺序通信进程（communicating sequential processes），简称为CSP。CSP是一种现代的并发编程模型，在这种编程模型中，值会在不同的运行实例（goroutine）中传递。

二：Goroutine

在Go语言中，每一个并发的执行单元就叫做goroutine。
每个goroutine都对应一个非常简单的模型：它是一个并发的执行函数，并且在多个并发的goroutine间，资源是共享的。goroutine非常轻量，创建的开销很少。

goroutine的用法：
直接在函数前加上一个关键字：go。
go func() {}

例子：

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {
	fmt.Println("In main")
	go longSleep()
	go shortSleep()

	fmt.Println("sleep ")
	time.Sleep(10 * 1e9)//ns，符号 1e9 表示 1 乘 10 的 9 次方，e=指数
	fmt.Println("the end of main")
}

func longSleep() {
	fmt.Println("longSleep begin")
	time.Sleep(5 * 1e9)
	fmt.Println("longSleep end")
}

func shortSleep() {
	fmt.Println("shortSleep begin")
	time.Sleep(2 * 1e9)
	fmt.Println("shortSleep end")
}

运行结果：

In main
sleep
longSleep begin
shortSleep begin
shortSleep end
longSleep end
the end of main

main() ，longSleep() 和 shortSleep() 这3个函数都是独立的处理单元按顺序启动，然后开始并行运行。为了模拟
运算时间的损耗，我们使用了sleep()函数，这个函数可以按照指定时间来暂停函数或协程执行。

如果我们不在main()函数中sleep()较长的时间，那么main() 函数结束时，其他协程运行的程序也会结束。main()程序退出，它不会等待任何其他非main协程的结束。
协程是独立的处理单元，一旦陆续启动一些协程，就无法确定他们是什么时候正在开始运行的。

三：通道channel

上面我们讲到，协程都是独立运行的，他们之间没有通信。
协程可以使用共享变量来通信，但是不建议这么做。在Go中有一种特殊的类型channle通道，可以通过它来进行goroutine之间的通信，可以避免共享内存的坑。channel的通信保证了同步性。
数据通过通道，同一时间只有一个协程可以访问数据，所以不会出现数据竞争，设计时就是这样的。

3.1 channel语法

channel也是通过make进行分配的，其返回的是指向底层相关数据结构的引用。

• 1、基础语法

var chan1 chan string
chan1 = make(chan string)
//or
chan1 := make(chan string)

//int
intchan := make(chan int)

//函数也可以
funcchan := chan func()

• 2、不带缓冲的channel

var chan2 chan string

chan2 := make(chan string)

chan3 := make(chan string, 0)

• 3、带缓冲区的channel

//在make第二个参数加上数字，就变成一个带缓冲的channel，
//也是一个双向channel，既可以读也可以写
chan3 := make(chan string, 4)

• 4、单向channel

//只发送的channel，在类型后面加上一个箭头 <-，只能向channel写数据
var chan4 chan <-int

chan4 := make(chan <-int)

//只接收的channel，箭头放在chan前面，只能从channel读取数据
var chan4 <-chan int

chan4 := make(<-chan int) //初始化

3.2 channel特性

基础特性

操作	值为 nil 的 channel	被关闭的 channel	正常的 channel
close	panic	panic	成功关闭
c<-	永远阻塞	panic	阻塞或成功发送
<-c	永远阻塞	永远不阻塞	阻塞或成功接收

happens-before 特性

1. 无缓冲时，接收 happens-before 发送
2. 任何情况下，发送 happens-before 接收
3. close happens-before 接收

3.3 channel用法

3.3.1、无缓冲区

channel无缓冲区，发送方和接收方需要一一配对，不然发送方会一直阻塞，直到数据被接收方取出。
其实无缓冲区channel不管是存消息还是取消息，都会挂起当前goroutine，除非另外一端已经准备好。
无缓冲区的channel永远不会存数据，只负责数据的流通。

• 从无缓冲channel取数据，必须要有数据流进来才可以，否则当前协程阻塞
• 数据流入无缓冲channel, 如果没有其他goroutine来拿走这个数据，那么当前协程阻塞

注意：
同步的channel不能只在一个协程中发送和接收，因为会被永远阻塞，数据不能到接收方那里。

package main

import "fmt"

func main() {
	chan1 := make(chan int)

	go func() {
		for d := range chan1 {
			fmt.Println(d)
		}
	}()

	chan1 <- 1 //发送要放在接收协程跑起来后面，因为发送后会阻塞等待接收
	chan1 <- 2
	chan1 <- 3

	close(chan1)
}

import "fmt"

func sum(s []int, c chan int) {
	sum := 0
	for _, v := range s {
		sum += v
	}
	c <- sum // send sum to c
}
func main() {
	s := []int{7, 2, 8, -9, 4, 0}
	c := make(chan int)
	go sum(s[:len(s)/2], c)
	go sum(s[len(s)/2:], c)
	x, y := <-c, <-c // receive from c
	fmt.Println(x, y, x+y)
}

3.3.2、有缓冲区

有缓冲区
channel创建一个缓冲区，如果缓冲区已满，发送方的主进程或者协程会被阻塞，发送方只能在接收方取走数据后才能从阻塞状态恢复；如果未满就不会阻塞；如果为空，接收方的协程会被阻塞。
上面的这种特性，比如可以控制主进程的退出，因为有时我们碰到主协程退出了，其他的子协程还没有运行完成。

package main

import (
	"fmt"
)

//-------------
var ichan = make(chan int, 3)
var str string

func f() {
	str = "hello world"
	ichan <- 0
}

func main() {
	go f()
	<-ichan  //这里有值，下面才会运行

	fmt.Println(str)
}

package main

import (
	"fmt"
)

func main() {
	chan1 := make(chan int, 3)
	quit := make(chan bool) //阻塞主进程，防止未处理完的子协程

	go func() {
		for d := range chan1 { //如果data的缓冲区为空，这个协程会一直阻塞，除非被channel被close
			fmt.Println(d)
		}
		quit <- true
	}()

	chan1 <- 1
	chan1 <- 2
	chan1 <- 3
	chan1 <- 4
	chan1 <- 5
	close(chan1) //用完需要关闭，否则goroutine会被死锁，因为上面用range，它是不等到信道关闭是不会结束读取的
	<-quit       //解除阻塞
}

3.3.3、 for...range

上面有的例子是一个一个的取数据，其实golang还提供了for range 来读取channel中的数据。

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {

	go func() {
		time.Sleep(1 * time.Hour)
	}()

	c := make(chan int)
	go func() {
		for i := 0; i < 10; i = i + 1 {
			c <- i
		}
		close(c)//如果把close(c)注释掉，程序会一直阻塞在for …… range那一行
	}()

	for i := range c {
		fmt.Println(i)
	}

	fmt.Println("end!")
}

//range c 产生的迭代值为channel中发送的值，它会一直迭代直到channel被关闭。
//注意：上面的例子中如果把close(c)注释掉，程序会一直阻塞在for …… range那一行

3.3.4、select监听channel

select监测各个channel的数据。
如果有多个channel接收数据，select会随机选择一个case来处理。
你还可以给select加上一个default语句，如果没有case需要处理，那么就会选择default语句。
多个case情况下，如果没有default也没有case需要处理的，那么select会阻塞，只到某个case需要处理。
注意：nil channel 的操作会一直被阻塞，如果没有default的话，select会一直被阻塞。

package main

import (
	"fmt"
)

func foo(i int) chan int {
	c := make(chan int)
	go func() {
		c <- i
	}()
	return c
}

func main() {
	c1, c2, c3 := foo(1), foo(2), foo(3)

	ichan := make(chan int)
	//开一个goroutine监听各个channel数据输出并收集数据到channel
	go func() {
		for {//for语句循环处理select， 如果只有一个select，那么它只会选一个case处理就结束了
			select { //监听c1，c2，c3流出，并全部流入到ichan
			case v1 := <-c1:
				ichan <- v1
			case v2 := <-c2:
				ichan <- v2
			case v3 := <-c3:
				ichan <- v3
			}
		}
	}()

	//阻塞主协程，取出ichan的数据
	for i := 0; i < 3; i++ {
		fmt.Println(<-ichan) // 从打印来看我们的数据输出并不是严格的1,2,3顺序
	}

	fmt.Println("end!")
}

输出结果：

2
1
3
end!

3.3.5、超时处理

select还有一个应用超时处理的功能。上面说到如果没有case需要处理，那么select会一直阻塞，这时候我们就可以在一个case下定义一个超时情况，其他case没有数据处理时，到时间点了这个超时case就会处理了，就不会一直阻塞。
我们用time.After，它返回一个类型为 <-chan time 的单向channel，在指定时间发送一个当前时间给channel

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {
	chan1 := make(chan string, 1)
	go func() {
		time.Sleep(time.Second * 3)
		chan1 <- "res1"
	}()

	select {
	case res := <-chan1: //3秒之后才会有数据进入槽chan1
		fmt.Println(res)
	case <-time.After(time.Second * 1)://定义超时情况，1秒后超时.这个超时时间比上面的case短，所以先运行这个case
		fmt.Println("timeout 1")
	}
}

输出：
timeout 1

3.4 close channel

上面的特性我们列举了close channel的情况。

• channel已经被关闭

close()掉了，你继续往里面写数据，会出现panic。
但是，从这个关闭的channel可以读出已发送的数据，还可以不断的读取零值。
如果是通过range读取数据，channel关闭后for循环会跳出。

通过i, ok := <-c 可以查看channel的状态，判断是零值还是正常读取的值。

c := make(chan int, 10)
close(c)
i, ok := <-c
fmt.Printf("%d, %t", i, ok) //0, false

参考

https://colobu.com/2016/04/14/Golang-Channels/