并发编程的挑战主要在于数据共享。如果你的go协程没有共享数据,你就不需要担心同步他们。但是,对于所有的系统,这不是一个选择。实际上,很多系统以完全相反的目标构建:在多个请求中共享数据。内存缓存或者数据库都是这方面的好例子。这正变得越来越流行的事实。
通道通过解决数据共享问题,让并发编程变得更加清晰。通道是一个通信管道,它用于go协程之间传递数据。换句话说,go协程可以通过通道,传递数据给另外一个go协程。其结果就是,在任何时候,仅有一个go协程可以访问数据。
通道与所有其他的东西一样,也有类型。这个类型,就是将要在通道中传递的数据的类型。例如,创建一个通道,这个通道可以用来传递一个整数,我们可以这样:
c := make(chan int)
这个通道的类型是chan int
。因此,将这个通道传递给一个函数,可以这样声明:
func worker(c chan int) { ... }
通道支持2种操作:接收和发送。我们可以使用下面方式往通道发送数据:
CHANNEL <- DATA
可以使用下面方式从通道接收数据:
VAR := <-CHANNEL
箭头的方向就是数据的流动方向。当发送数据时,数据流入通道。当接收数据时,数据流出通道。
最后,在查看我们的第一个例子之前,我们需要知道从一个通道接收或者发送数据时会阻塞。当我们从一个通道接收数据时,直到数据可用, go协程才会继续执行。类似的,往一个通道发送数据时,在数据被接收之前, go协程也不会继续执行。
假设这种情况:对输入数据,我们想通过不同的协程去处理。这是一种常见的需求。如果通过go协程接收输入的数据,并进行数据密集型处理,那么,客户端会有超时风险。首先,我们将写出worker
。这可以是一个简单的函数,但是我会让它变成一个结构体的部分,因为我们之前从来没有这样使用过go协程:
type Worker struct {
id int
}
func (w Worker) process(c chan int) {
for {
data := <-c
fmt.Printf("worker %d got %d\n", w.id, data)
}
}
我们的worker
很简单。它会一直等待数据,直到数据可用, 然后处理它。它在一个循环中,永远尽职的等待更多的数据并处理。
为了使用上面的worker
,我们首先要做的是启动一些worker
:
c := make(chan int)
for i := 0; i < 4; i++ {
worker := Worker{id: i}
go worker.process(c)
}
然后我们可以给它们一些工作:
for {
c <- rand.Int()
time.Sleep(time.Millisecond * 50)
}
这是完整的代码,运行它:
package main
import (
"fmt"
"math/rand"
"time"
)
func main() {
c := make(chan int)
for i := 0; i < 5; i++ {
worker := &Worker{id: i}
go worker.process(c)
}
for {
c <- rand.Int()
time.Sleep(time.Millisecond * 50)
}
}
type Worker struct {
id int
}
func (w *Worker) process(c chan int) {
for {
data := <-c
fmt.Printf("worker %d got %d\n", w.id, data)
}
}
我们不知道哪个worker
将获得数据。我们所知道的是,go语言确保,往一个通道发送数据时,仅有一个单独的接收器可以接收。
注意:通道是唯一共享的状态,通过通道,可以安全的,并发发送和接收数据。通道提供了我们需要的所有同步代码,并且也确保,在任意的特定时刻,只有一个go协程,可以访问数据的特定部分。
在上面的代码中,如果输入的数据,超过我们的处理能力,会发生什么?你可以模拟这种场景,在worker
接收到数据后,让worker
执行time.Sleep
:
for {
data := <-c
fmt.Printf("worker %d got %d\n", w.id, data)
time.Sleep(time.Millisecond * 500)
}
在main
函数中会发什么呢?接收用户的输入数据(这里通过一个随机的数字生成器模拟)会被阻塞,因为往通道发送数据时,没有可用的接收者。
在这种情况下,你需要确保数据被处理,你可能想要让客户端阻塞。在其他情况下,你可能愿意不确保数据被处理。这里有一些流行的策略能完成此事。首先是将数据缓存起来。如果没有worker
可用,我们想将数据,暂时存放在一个有序的队列中。通道实现了这种缓存功能。当我们使用make
创建一个通道时,我们可以指定通道的长度:
c := make(chan int, 100)
你可以这样调整,但是你将注意到,处理过程仍然不顺利。带缓存通道没有提供更多的功能;它只不过是为挂起的作业提供一个队列,以一种更好的方式处理数据突然飙升。在我们示例中,我们可以连续不断的发送更多的、超出worker
处理能力的数据。
然而,通过查看通道的长度,我们可以了解到,带缓存通道中有待处理的缓存数据:
for {
c <- rand.Int()
fmt.Println(len(c))
time.Sleep(time.Millisecond * 50)
}
你可以看到,带缓存通道的长度在不断增长,直到装满为止,到时,往通道发送的数据又开始被阻塞。
即使借助缓存,我们还是需要开始丢弃一些消息。我们不能使用一个无限大的内存,并指望人工的释放它。所以我们使用go语言的select
。
在语法结构上,select
看起来有点类似switch
。通过select
,我们能写出解决通道不可写问题的代码。首先,让我们去掉通道的缓存,这样可以更清晰的看到select
是如何工作的。
c := make(chan int)
接下来,我们修改for
循环:
for {
select {
case c <- rand.Int():
//可选的代码
default:
//这里可以留下空行以丢弃数据
fmt.Println("dropped")
}
time.Sleep(time.Millisecond * 50)
}
我们每秒往通道中发送20个信息,但是我们的程序,每秒只能处理10个信息;因此,有一半的信息被丢弃。
这仅仅只是我们使用select
完成一些事的开始。使用select
的最主要目的是,通过它管理多个通道。给定多个通道,select
将阻塞直到有一个通道可用。如果没有可用的通道,当提供了default
语句时,执行该分支。当多个通道都可用时,选择其中的一个通道是随机的。
很难想出一个简单的例子来证明这种行为,因为这是一种高级特性。在下一小节可能有助于说明这个问题。
我们已经学习了缓存信息,并且丢弃它们的简单做法。另外一种比较流行的做法是使用超时。我们将阻塞一段时间,但是不是一直阻塞。这在go中很容易实现。老实说,这个语法有点难接受,确是非常灵活、有用的特性,我不能不介绍它。
为了使阻塞达到最大值,我们可以使用time.After
函数。让我们看看它会发生什么神奇的事。为了使用这种方式,我们数据发送变成:
for {
select {
case c <- rand.Int():
case <-time.After(time.Millisecond * 100):
fmt.Println("timed out")
}
time.Sleep(time.Millisecond * 50)
}
time.After
将返回一个通道,所以我们可以对它使用select
语句。这个通道在经过指定的时间后会被写入。就是这样。没有什么比这个更神奇了。如果你依然觉得奇怪,这里实现了一个after
,如下所示:
func after(d time.Duration) chan bool {
c := make(chan bool)
go func() {
time.Sleep(d)
c <- true
}()
return c
}
回到我们的select
语句,这里有一些好玩的东西。首先,如果你在后面添加default
分之会发生什么?你能猜到吗?试试。如果你不确定会发生什么,记住如果通道不可用的话,default
分支会被立即执行。
此外,time.After
是一个chan time.Time
类型的通道。在上面的例子中,我们将发送给通道的值简单丢弃掉。如果你想,你也可以获取到这个值:
case t := <-time.After(time.Millisecond * 100):
fmt.Println("timed out at", t)
密切注意我们的select
。注意我们正在往c
中发送数据,但是从time.After
收取。不管我们是从通道中接收数据、发送数据或者收发数据,select
工作机制都一样:
- 第一个可用的通道被选中
- 如果多个通道可用,随机选中一个通道
- 如果没有通道可用,
default
分之被执行 - 如果没有
default
分支,select
将阻塞
最后,在for
循环中使用select
也是比较常见的,例如:
for {
select {
case data := <-c:
fmt.Printf("worker %d got %d\n", w.id, data)
case <-time.After(time.Millisecond * 10):
fmt.Println("Break time")
time.Sleep(time.Second)
}
}