Goroutine 和 Channel 講解

前言

Go 語言中並發程序可以用兩種方式來實現。

一種是 goroutine 和 channel，其支持 “交談循序程式”（communicating sequential processes）或被簡稱為 CSP。

CSP 是一個現代的並發程式模型，在這種程式模型中值會在不同的運行實例(goroutine)中傳遞，儘管大多數情況下被限制在單一實例中。

另一種是傳統的並發模型，多線程共享內存(基於共享變量的並發) ，會在後續單獨闡述。

goroutine

goroutine 是一個輕量級的線程，它與線程的區別是線程是操作系統中對於一個獨立運行實例的描述，不同的操作系統中，線程的實現也不盡相同；

對於 goroutine，操作系統並不知道它的存在， goroutine 的調度是 Go 語言的運行時進行管理的。

啟動線程雖然比進程使用的資源少，但依然需要上下文切換等大量工作， Go 語言有自己的調度器，許多 goroutine 的數據都是共享的，因此 goroutine 之間的切換會快很多，啟動 goroutine 所耗費的資源也很少。

package main

import (
    "fmt"
    "strconv"
)

func Info(name string)  {
    for i := 0; i < 3; i++ {
        fmt.Println(name + ":" + strconv.Itoa(i))
    }
}

func main()  {
    Info("info")

    go Info("goroutine1")

    go func(name string) {
        fmt.Println(name)
    }("goroutine2")

    var input string
    fmt.Scanln(&input)
    fmt.Println("done")
}

channel

channel 被稱為通道，是連接並發 goroutine 的管道，可以從一個 goroutine 向通道發送值，並在另一個 goroutine 中接收到這些值。

每個 channel 都有一個特殊的類型，也就是 channel 可發送數據的類型。一個可以發送 int 類型數據的 channel 一般寫為 chan int。

一個 channel 有發送和接收兩個主要操作，都是通信行為。

一個發送語句將一個值從一個 goroutine 通過 channel 發送到另一個執行接收操作的 goroutine 。

發送和接收兩個操作都是用 <- 運算符。

在發送語句中， <- 運算符分割 channel 和要發送的值；在接收語句中， <- 運算符寫在 channel 對象之前，一個不使用接收結果的接收操作也是合法的。

channel 的發送操作將導致發送者 goroutine 阻塞，直到另一個 goroutine 在相同的 channel 上執行接收操作，當發送的值通過 channel 成功傳輸之後，兩個 goroutine 可以繼續執行後面的語句。

反之，如果接收操作先發生，那麼接收者 goroutine 也將阻塞，直到有另一個 goroutine 在相同的 Channels 上執行發送操作。

package main

import (
    "fmt"
    "strconv"
)

func Info(i int, ch chan string)  {
    msg := "訊息" + strconv.Itoa(i)
    ch <- msg
}

func main()  {
    chs := make([]chan string, 3)
    for i := 0; i < 3; i++ {
        chs[i] = make(chan string)
        go Info(i, chs[i])
    }

    for num, ch := range chs {
        msg := <- ch
        fmt.Println(num, msg)
    }

    fmt.Println("Done")
}

channel 還支持 close 操作，用於關閉 channel ，隨後對基於該 channel 的任何發送操作都將導致 Panic 異常。

對一個已經被 close 過的 channel 接收操作依然可以接受到之前已經成功發送的數據；如果 channel 中已經沒有數據的話將產生一個零值(nil)的數據。

close(ch)

帶緩存的 channel

帶緩存的 channel 內部有一個元素隊列。隊列的最大容量是在調用 make 函數創建 channel 時通過第二個參數指定的。下面的語法創建了一個可以持有三個字符串元素的帶緩存 channel 。

ch = make(chan string, 3)

向緩存 channel 的發送操作就是向內部緩存隊列的尾部插入元素，接收操作則是從隊列的頭部刪除元素。

如果內部緩存隊列是滿的，那麼發送操作將阻塞直到另一個 goroutine 執行接收操作而釋放了新的隊列空間。

相反，如果 channel 是空的，接收操作將阻塞直到有另一個 goroutine 執行發送操作而向隊列插入元素。

package main

import (
    "fmt"
)

func main()  {
    ch := make(chan string, 3)

    ch <- "A"
    ch <- "B"
    ch <- "C"

    fmt.Println(<-ch)
    fmt.Println(<-ch)
    fmt.Println(<-ch)
}

select

Go 語言的 select 的功能和 select、poll、epoll 相似，就是監聽 IO 操作，當 IO 操作發生時，觸發響應的動作。

select 語法和 switch 相似，也會有幾個 case 和 default 分支，每一個 case 代表一個通信操作(在某個 channel 上進行發送或者接收)並且會包含一些語句組成一個語句塊。

package main

import (
    "fmt"
    "strconv"
)

func main()  {
    ch1 := make(chan string)
    ch2 := make(chan string)

    go func() {
        ch1 <- "I am from ch1"
    }()

    go func() {
        ch2 <- "I am from ch2"
    }()

    for i := 0; i < 2; i++ {
        select {
        case msg1 := <- ch1:
            fmt.Println("received-"+strconv.Itoa(i), msg1)
        case msg2 := <- ch2:
            fmt.Println("received-"+strconv.Itoa(i), msg2)
        }
    }
}

超時控制

select 是用來讓我們的程序監聽多個文件句柄的狀態變化的處理機制。

當發起一些阻塞的請求後，可以用 select 機制輪詢掃描文件句柄，直到被監視的文件句柄有一個或多個發生了狀態改變。

channel 在系統層面來說也是個文件描述符，在 Go 語言中我們可以用 goroutine 並發執行任務，接著使用 select 來監視每個任務的 channel 情況。

如果這幾個任務都長時間沒有回复 channel 信息，並且我們又有超時的需求，那麼我們可以使用一個 goroutine 來設置超時機制，具體做法就是啟動 sleep 並且在 sleep 之後回复 channel 信號。

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func main()  {
    ch := make(chan string)
    timeout := make(chan bool)

    go func() {
        time.Sleep(5 * time.Second)
        timeout <- true
    }()

    go func() {
        time.Sleep(10 * time.Second)
        ch <- "Hello World"
    }()

    select {
    case msg := <- ch:
        fmt.Println(msg)
    case <- timeout:
        fmt.Println("task is timeout")
    }
}

Feng-Chi