一、Golang并发基础理论
Golang在并发设计方面参考了C.A.R Hoare的CSP，即Communicating Sequential Processes并发模型理论。但就像John Graham-Cumming所说的那样，多数Golang程序员或爱好者仅仅停留在“知道”这一层次，理解CSP理论的并不多，毕竟多数程序员是搞工程 的。不过要想系统学习CSP的人可以从这里下载到CSP论文的最新版本。
维基百科中概要罗列了CSP模型与另外一种并发模型Actor模型的区别：
Actor模型广义上讲与CSP模型很相似。但两种模型就提供的原语而言，又有一些根本上的不同之处：
– CSP模型处理过程是匿名的，而Actor模型中的Actor则具有身份标识。
– CSP模型的消息传递在收发消息进程间包含了一个交会点，即发送方只能在接收方准备好接收消息时才能发送消息。相反，actor模型中的消息传递是异步 的，即消息的发送和接收无需在同一时间进行，发送方可以在接收方准备好接收消息前将消息发送出去。这两种方案可以认为是彼此对偶的。在某种意义下，基于交 会点的系统可以通过构造带缓冲的通信的方式来模拟异步消息系统。而异步系统可以通过构造带消息/应答协议的方式来同步发送方和接收方来模拟交会点似的通信 方式。
– CSP使用显式的Channel用于消息传递，而Actor模型则将消息发送给命名的目的Actor。这两种方法可以被认为是对偶的。某种意义下，进程可 以从一个实际上拥有身份标识的channel接收消息，而通过将actors构造成类Channel的行为模式也可以打破actors之间的名字耦合。
二、Go Channel基本操作语法
Go Channel的基本操作语法如下：
c := make(chan bool) //创建一个无缓冲的bool型Channel
c <- x //向一个Channel发送一个值
<- c //从一个Channel中接收一个值
x = <- c //从Channel c接收一个值并将其存储到x中
x, ok = <- c //从Channel接收一个值，如果channel关闭了或没有数据，那么ok将被置为false
不带缓冲的Channel兼具通信和同步两种特性，颇受青睐。
三、Channel用作信号(Signal)的场景
1、等待一个事件(Event)
等待一个事件，有时候通过close一个Channel就足够了。例如：
//testwaitevent1.go
package main
import "fmt"
func main() {
fmt.Println("Begin doing something!")
c := make(chan bool)
go func() {
fmt.Println("Doing something…")
close(c)
}()
<-c
fmt.Println("Done!")
}
这里main goroutine通过"<-c"来等待sub goroutine中的“完成事件”，sub goroutine通过close channel促发这一事件。当然也可以通过向Channel写入一个bool值的方式来作为事件通知。main goroutine在channel c上没有任何数据可读的情况下会阻塞等待。
关于输出结果：
根据《Go memory model》中关于close channel与recv from channel的order的定义：The closing of a channel happens before a receive that returns a zero value because the channel is closed.
我们可以很容易判断出上面程序的输出结果：
Begin doing something!
Doing something…
Done!
如果将close(c)换成c<-true，则根据《Go memory model》中的定义：A receive from an unbuffered channel happens before the send on that channel completes.
"<-c"要先于"c<-true"完成，但也不影响日志的输出顺序，输出结果仍为上面三行。
2、协同多个Goroutines
同上，close channel还可以用于协同多个Goroutines，比如下面这个例子，我们创建了100个Worker Goroutine，这些Goroutine在被创建出来后都阻塞在"<-start"上，直到我们在main goroutine中给出开工的信号："close(start)"，这些goroutines才开始真正的并发运行起来。
//testwaitevent2.go
package main
import "fmt"
func worker(start chan bool, index int) {
<-start
fmt.Println("This is Worker:", index)
}
func main() {
start := make(chan bool)
for i := 1; i <= 100; i++ {
go worker(start, i)
}
close(start)
select {} //deadlock we expected
}
3、Select
【select的基本操作】
select是Go语言特有的操作，使用select我们可以同时在多个channel上进行发送/接收操作。下面是select的基本操作。
select {
case x := <- somechan:
// … 使用x进行一些操作
case y, ok := <- someOtherchan:
// … 使用y进行一些操作，
// 检查ok值判断someOtherchan是否已经关闭
case outputChan <- z:
// … z值被成功发送到Channel上时
default:
// … 上面case均无法通信时，执行此分支
}
【惯用法：for/select】
我们在使用select时很少只是对其进行一次evaluation，我们常常将其与for {}结合在一起使用，并选择适当时机从for{}中退出。
for {
select {
case x := <- somechan:
// … 使用x进行一些操作
case y, ok := <- someOtherchan:
// … 使用y进行一些操作，
// 检查ok值判断someOtherchan是否已经关闭
case outputChan <- z:
// … z值被成功发送到Channel上时
default:
// … 上面case均无法通信时，执行此分支
}
}
【终结workers】
下面是一个常见的终结sub worker goroutines的方法，每个worker goroutine通过select监视一个die channel来及时获取main goroutine的退出通知。
//testterminateworker1.go
package main
import (
"fmt"
"time"
)
func worker(die chan bool, index int) {
fmt.Println("Begin: This is Worker:", index)
for {
select {
//case xx：
//做事的分支
case <-die:
fmt.Println("Done: This is Worker:", index)
return
}
}
}
func main() {
die := make(chan bool)
for i := 1; i <= 100; i++ {
go worker(die, i)
}
time.Sleep(time.Second * 5)
close(die)
select {} //deadlock we expected
}
【终结验证】
有时候终结一个worker后，main goroutine想确认worker routine是否真正退出了，可采用下面这种方法：
//testterminateworker2.go
package main
import (
"fmt"
//"time"
)
func worker(die chan bool) {
fmt.Println("Begin: This is Worker")
for {
select {
//case xx：
//做事的分支
case <-die:
fmt.Println("Done: This is Worker")
die <- true
return
}
}
}
func main() {
die := make(chan bool)
go worker(die)
die <- true
<-die
fmt.Println("Worker goroutine has been terminated")
}
【关闭的Channel永远不会阻塞】
下面演示在一个已经关闭了的channel上读写的结果：
//testoperateonclosedchannel.go
package main
import "fmt"
func main() {
cb := make(chan bool)
close(cb)
x := <-cb
fmt.Printf("%#v
", x)
x, ok := <-cb
fmt.Printf("%#v %#v
", x, ok)
ci := make(chan int)
close(ci)
y := <-ci
fmt.Printf("%#v
", y)
cb <- true
}
$go run testoperateonclosedchannel.go
false
false false
0
panic: runtime error: send on closed channel
可以看到在一个已经close的unbuffered channel上执行读操作，回返回channel对应类型的零值，比如bool型channel返回false，int型channel返回0。但向close的channel写则会触发panic。不过无论读写都不会导致阻塞。
【关闭带缓存的channel】
将unbuffered channel换成buffered channel会怎样？我们看下面例子：
//testclosedbufferedchannel.go
package main
import "fmt"
func main() {
c := make(chan int, 3)
c <- 15
c <- 34
c <- 65
close(c)
fmt.Printf("%d
", <-c)
fmt.Printf("%d
", <-c)
fmt.Printf("%d
", <-c)
fmt.Printf("%d
", <-c)
c <- 1
}
$go run testclosedbufferedchannel.go
15
34
65
0
panic: runtime error: send on closed channel
可以看出带缓冲的channel略有不同。尽管已经close了，但我们依旧可以从中读出关闭前写入的3个值。第四次读取时，则会返回该channel类型的零值。向这类channel写入操作也会触发panic。
【range】
Golang中的range常常和channel并肩作战，它被用来从channel中读取所有值。下面是一个简单的实例：
//testrange.go
package main
import "fmt"
func generator(strings chan string) {
strings <- "Five hour's New York jet lag"
strings <- "and Cayce Pollard wakes in Camden Town"
strings <- "to the dire and ever-decreasing circles"
strings <- "of disrupted circadian rhythm."
close(strings)
}
func main() {
strings := make(chan string)
go generator(strings)
for s := range strings {
fmt.Printf("%s
", s)
}
fmt.Printf("
")
}
四、隐藏状态
下面通过一个例子来演示一下channel如何用来隐藏状态：
1、例子：唯一的ID服务
//testuniqueid.go
package main
import "fmt"
func newUniqueIDService() <-chan string {
id := make(chan string)
go func() {
var counter int64 = 0
for {
id <- fmt.Sprintf("%x", counter)
counter += 1
}
}()
return id
}
func main() {
id := newUniqueIDService()
for i := 0; i < 10; i++ {
fmt.Println(<-id)
}
}
$ go run testuniqueid.go
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
newUniqueIDService通过一个channel与main goroutine关联，main goroutine无需知道uniqueid实现的细节以及当前状态，只需通过channel获得最新id即可。
五、默认情况
我想这里John Graham-Cumming主要是想告诉我们select的default分支的实践用法。
1、select for non-blocking receive
idle:= make(chan []byte, 5) //用一个带缓冲的channel构造一个简单的队列
select {
case b = <-idle:
//尝试从idle队列中读取
…
default: //队列空，分配一个新的buffer
makes += 1
b = make([]byte, size)
}
2、select for non-blocking send
idle:= make(chan []byte, 5) //用一个带缓冲的channel构造一个简单的队列
select {
case idle <- b: //尝试向队列中插入一个buffer
//…
default: //队列满？
}
六、Nil Channels
1、nil channels阻塞
对一个没有初始化的channel进行读写操作都将发生阻塞，例子如下：
package main
func main() {
var c chan int
<-c
}
$go run testnilchannel.go
fatal error: all goroutines are asleep – deadlock!
package main
func main() {
var c chan int
c <- 1
}
$go run testnilchannel.go
fatal error: all goroutines are asleep – deadlock!
2、nil channel在select中很有用
看下面这个例子：
//testnilchannel_bad.go
package main
import "fmt"
import "time"
func main() {
var c1, c2 chan int = make(chan int), make(chan int)
go func() {
time.Sleep(time.Second * 5)
c1 <- 5
close(c1)
}()
go func() {
time.Sleep(time.Second * 7)
c2 <- 7
close(c2)
}()
for {
select {
case x := <-c1:
fmt.Println(x)
case x := <-c2:
fmt.Println(x)
}
}
fmt.Println("over")
}
我们原本期望程序交替输出5和7两个数字，但实际的输出结果却是：
5
0
0
0
… … 0死循环
再仔细分析代码，原来select每次按case顺序evaluate：
– 前5s，select一直阻塞；
– 第5s，c1返回一个5后被close了，“case x := <-c1”这个分支返回，select输出5，并重新select
– 下一轮select又从“case x := <-c1”这个分支开始evaluate，由于c1被close，按照前面的知识，close的channel不会阻塞，我们会读出这个 channel对应类型的零值，这里就是0；select再次输出0；这时即便c2有值返回，程序也不会走到c2这个分支
– 依次类推，程序无限循环的输出0
我们利用nil channel来改进这个程序，以实现我们的意图，代码如下：
//testnilchannel.go
package main
import "fmt"
import "time"
func main() {
var c1, c2 chan int = make(chan int), make(chan int)
go func() {
time.Sleep(time.Second * 5)
c1 <- 5
close(c1)
}()
go func() {
time.Sleep(time.Second * 7)
c2 <- 7
close(c2)
}()
for {
select {
case x, ok := <-c1:
if !ok {
c1 = nil
} else {
fmt.Println(x)
}
case x, ok := <-c2:
if !ok {
c2 = nil
} else {
fmt.Println(x)
}
}
if c1 == nil && c2 == nil {
break
}
}
fmt.Println("over")
}
$go run testnilchannel.go
5
7
over
可以看出：通过将已经关闭的channel置为nil，下次select将会阻塞在该channel上，使得select继续下面的分支evaluation。
七、Timers
1、超时机制Timeout
带超时机制的select是常规的tip，下面是示例代码，实现30s的超时select：
func worker(start chan bool) {
timeout := time.After(30 * time.Second)
for {
select {
// … do some stuff
case <- timeout:
return
}
}
}
2、心跳HeartBeart
与timeout实现类似，下面是一个简单的心跳select实现：
func worker(start chan bool) {
heartbeat := time.Tick(30 * time.Second)
for {
select {
// … do some stuff
case <- heartbeat:
//… do heartbeat stuff
}
}
}