golang 中 channel 的详细使用、使用注意事项及死锁分析

什么是 channel 管道

它是一个数据管道,可以往里面写数据,从里面读数据。

channel 是 goroutine 之间数据通信桥梁,而且是线程安全的。

channel 遵循先进先出原则。

写入,读出数据都会加锁。

channel 可以分为 3 种类型:

  • 只读 channel,单向 channel

  • 只写 channel,单向 channel

  • 可读可写 channel

channel 还可按是否带有缓冲区分为:

  • 带缓冲区的 channel,定义了缓冲区大小,可以存储多个数据

  • 不带缓冲区的 channel,只能存一个数据,并且只有当该数据被取出才能存下一个数据

channel 的基本使用

定义和声明

// 只读 channel
var readOnlyChan <-chan int  // channel 的类型为 int

// 只写 channel
var writeOnlyChan chan<- int

// 可读可写
var ch chan int

// 或者使用 make 直接初始化
readOnlyChan1 := make(<-chan int, 2)  // 只读且带缓存区的 channel
readOnlyChan2 := make(<-chan int)   // 只读且不带缓存区 channel

writeOnlyChan3 := make(chan<- int, 4) // 只写且带缓存区 channel
writeOnlyChan4 := make(chan<- int) // 只写且不带缓存区 channel

ch := make(chan int, 10)  // 可读可写且带缓存区

ch <- 20  // 写数据
i := <-ch  // 读数据
i, ok := <-ch  // 还可以判断读取的数据

chan_var.go


package main

import (
    "fmt"
)

func main() {
    // var 声明一个 channel,它的零值是nil
    var ch chan int
    fmt.Printf("var: the type of ch is %T \n", ch)
    fmt.Printf("var: the val of ch is %v \n", ch)

    if ch == nil {
        // 也可以用make声明一个channel,它返回的值是一个内存地址
        ch = make(chan int)
        fmt.Printf("make: the type of ch is %T \n", ch)
        fmt.Printf("make: the val of ch is %v \n", ch)
    }

    ch2 := make(chan string, 10)
    fmt.Printf("make: the type of ch2 is %T \n", ch2)
    fmt.Printf("make: the val of ch2 is %v \n", ch2)
}

// 输出:
// var: the type of ch is chan int
// var: the val of ch is <nil>
// make: the type of ch is chan int
// make: the val of ch is 0xc000048060
// make: the type of ch2 is chan string
// make: the val of ch2 is 0xc000044060

操作channel的3种方式

操作 channel 一般有如下三种方式:

  1. 读 <-ch

  2. 写 ch<-

  3. 关闭 close(ch)

操作 nil的channel 正常channel 已关闭的channel
读 <-ch 阻塞 成功或阻塞 读到零值
写 ch<- 阻塞 成功或阻塞 panic
关闭 close(ch) panic 成功 panic

注意 对于 nil channel 的情况,有1个特殊场景:

当 nil channel 在 select 的某个 case 中时,这个 case 会阻塞,但不会造成死锁。

单向 channel

单向 channel:只读和只写的 channel

chan_uni.go

package main

import "fmt"

func main() {
	// 单向 channel,只写channel
	ch := make(chan<- int)
	go testData(ch)
	fmt.Println(<-ch)
}

func testData(ch chan<- int) {
	ch <- 10
}

// 运行输出
// ./chan_uni.go:9:14: invalid operation: <-ch (receive from send-only type chan<- int)
// 报错,它是一个只写 send-only channel

把上面代码main()函数里初始化的单向channel,修改为可读可写channel,再运行

chan_uni2.go

package main

import "fmt"

func main() {
    // 把上面代码main()函数初始化的单向 channel 修改为可读可写的 channel
	ch := make(chan int)
	go testData(ch)
	fmt.Println(<-ch)
}

func testData(ch chan<- int) {
	ch <- 10
}

// 运行输出:
// 10

// 没有报错,可以正常输出结果

带缓冲和不带缓冲的 channel

不带缓冲区 channel

chan_unbuffer.go

package main

import "fmt"

func main() {
    ch := make(chan int) // 无缓冲的channel
    go unbufferChan(ch)

    for i := 0; i < 10; i++ {
        fmt.Println("receive ", <-ch) // 读出值
    }
}

func unbufferChan(ch chan int) {
    for i := 0; i < 10; i++ {
        fmt.Println("send ", i)
        ch <- i // 写入值
    }
}

// 输出
send  0
send  1
receive  0
receive  1
send  2
send  3
receive  2
receive  3
send  4
send  5
receive  4
receive  5
send  6
send  7
receive  6
receive  7
send  8
send  9
receive  8
receive  9

带缓冲区 channel

chan_buffer.go

package main

import (
	"fmt"
)

func main() {
	ch := make(chan string, 3)
	ch <- "tom"
	ch <- "jimmy"
	ch <- "cate"

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

// 运行输出:
// tom
// jimmy
// cate

再看一个例子:chan_buffer2.go

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

var c = make(chan int, 5)

func main() {
	go worker(1)
	for i := 1; i < 10; i++ {
		c <- i
		fmt.Println(i)
	}
}

func worker(id int) {
	for {
		_ = <-c
	}
}

// 运行输出:
// 1
// 2
// 3
// 4
// 5
// 6
// 7
// 8
// 9

判断 channel 是否关闭

语法:

v, ok := <-ch

说明:

  • ok 为 true,读到数据,管道没有关闭
  • ok 为 false,管道已关闭,没有数据可读
// 代码片段例子
if v, ok := <-ch; ok {
    fmt.Println(v)
}

举一个完整例子:

package main

import (
	"fmt"
)

func main() {
	ch := make(chan int)
	go test(ch)

	for {
		if v, ok := <-ch; ok {
			fmt.Println("get val: ", v, ok)
		} else {
			break
		}

	}
}

func test(ch chan int) {
	for i := 0; i < 5; i++ {
		ch <- i
	}
	close(ch)
}

读已经关闭的 channel 会读到零值,如果不确定 channel 是否关闭,可以用这种方法来检测。

range and close

range 可以遍历数组,map,字符串,channel等。

一个发送者可以关闭 channel,表明没有任何数据发送给这个 channel 了。接收者也可以测试channel是否关闭,通过 v, ok := <-ch 表达式中的 ok 值来判断 channel 是否关闭。上一节已经说明 ok 为 false 时,表示 channel 没有接收任何数据,它已经关闭了。

注意:仅仅只能是发送者关闭一个 channel,而不能是接收者。给已经关闭的 channel 发送数据会导致 panic。

Note: channels 不是文件,你通常不需要关闭他们。那什么时候需要关闭?当要告诉接收者没有值发送给 channel 了,这时就需要了。

比如终止 range 循环。

当 for range 遍历 channel 时,如果发送者没有关闭 channel 或在 range 之后关闭,都会导致 deadlock(死锁)。

下面是一个会产生死锁的例子:

package main

import "fmt"

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

	go func() {
		for i := 0; i < 10; i++ {
			ch <- i
		}
	}()

	for val := range ch {
		fmt.Println(val)
	}
	close(ch) // 这里关闭channel已经”通知“不到range了,会触发死锁。
              // 不管这里是否关闭channel,都会报死锁,close(ch)的位置就不对。
              // 且关闭channel的操作者也错了,只能是发送者关闭channel
}
// 运行程序输出
// 0
// 1
// 2
// 3
// 4
// 5
// 6
// 7
// 8
// 9
// fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

改正也很简单,把 close(ch) 移到 go func(){}() 里,代码如下

go func() {
    for i := 0; i < 10; i++ {
        ch <- i
    }
    close(ch)
}()

这样程序就可以正常运行,不会报 deadlock 的错误了。

把上面程序换一种方式来写,chan_range.go

package main

import (
	"fmt"
)

func main() {
	ch := make(chan int)
	go test(ch)
	for val := range ch { //
		fmt.Println("get val: ", val)
	}
}

func test(ch chan int) {
	for i := 0; i < 5; i++ {
		ch <- i
	}
	close(ch)
}

// 运行输出:
// get val:  0
// get val:  1
// get val:  2
// get val:  3
// get val:  4

发送者关闭 channel 时,for range 循环自动退出。

for 读取channel

用 for 来不停循环读取 channel 里的数据。

把上面的 range 程序修改下,chan_for.go

package main

import (
	"fmt"
)

func main() {
	ch := make(chan int)
	go test(ch)

	for {
		val, ok := <-ch
		if ok == false {// ok 为 false,没有数据可读
			break // 跳出循环
		}
		fmt.Println("get val: ", val)
	}
}

func test(ch chan int) {
	for i := 0; i < 5; i++ {
		ch <- i
	}
	close(ch)
}

// 运行输出:
// get val:  0
// get val:  1
// get val:  2
// get val:  3
// get val:  4

select 使用

例子 chan_select.go

package main

import "fmt"

// https://go.dev/tour/concurrency/5
func fibonacci(ch, quit chan int) {
	x, y := 0, 1
	for {
		select {
		case ch <- x:
			x, y = y, x+y
		case <-quit:
			fmt.Println("quit")
			return
		}
	}
}

func main() {
	ch := make(chan int)
	quit := make(chan int)

	go func() {
		for i := 0; i < 10; i++ {
			fmt.Println(<-ch)
		}
		quit <- 0
	}()

	fibonacci(ch, quit)
}

// 运行输出:
// 0
// 1
// 1
// 2
// 3
// 5
// 8
// 13
// 21
// 34
// quit

channel 的一些使用场景

1. 作为goroutine的数据传输管道

package main

import "fmt"

// https://go.dev/tour/concurrency/2
func sums(s []int, c chan int) {
	sum := 0
	for _, v := range s {
		sum += v
	}
	c <- sum
}

func main() {
	s := []int{7, 2, 8, -9, 4, 0}

	c := make(chan int)
	go sums(s[:len(s)/2], c)
	go sums(s[len(s)/2:], c)

	x, y := <-c, <-c // receive from c

	fmt.Println(x, y, x+y)
}

用 goroutine 和 channel 分批求和

2. 同步的channel

没有缓冲区的 channel 可以作为同步数据的管道,起到同步数据的作用。

对没有缓冲区的 channel 操作时,发送的 goroutine 和接收的 goroutine 需要同时准备好,也就是发送和接收需要一一配对,才能完成发送和接收的操作。

如果两方的 goroutine 没有同时准备好,channel 会导致先执行发送或接收的 goroutine 阻塞等待。这就是没有缓冲区的 channel 作为数据同步的作用。

gobyexample 中的一个例子:

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

//https://gobyexample.com/channel-synchronization
func worker(done chan bool) {
	fmt.Println("working...")
	time.Sleep(time.Second)
	fmt.Println("done")

	done <- true
}

func main() {
	done := make(chan bool, 1)
	go worker(done)

	<-done
}

注意:同步的 channel 千万不要在同一个 goroutine 协程里发送和接收数据。可能导致deadlock死锁。

3. 异步的channel

有缓冲区的 channel 可以作为异步的 channel 使用。

有缓冲区的 channel 也有操作注意事项:

  1. 如果 channel 中没有值了,channel 为空了,那么接收者会被阻塞。

  2. 如果 channel 中的缓冲区满了,那么发送者会被阻塞。

    注意:有缓冲区的 channel,用完了要 close,不然处理这个channel 的 goroutine 会被阻塞,形成死锁。

package main

import (
	"fmt"
)

func main() {
	ch := make(chan int, 4)
	quitChan := make(chan bool)

	go func() {
		for v := range ch {
			fmt.Println(v)
		}
		quitChan <- true // 通知用的channel,表示这里的程序已经执行完了
	}()

	ch <- 1
	ch <- 2
	ch <- 3
	ch <- 4
	ch <- 5

	close(ch)  // 用完关闭channel
	<-quitChan // 接到channel通知后解除阻塞,这也是channel的一种用法
}

4.channel 超时处理

channel 结合 time 实现超时处理。

当一个 channel 读取数据超过一定时间还没有数据到来时,可以得到超时通知,防止一直阻塞当前 goroutine。

chan_timeout.go

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {
	ch := make(chan int)
	quitChan := make(chan bool)

	go func() {
		for {
			select {
			case v := <-ch:
				fmt.Println(v)
			case <-time.After(time.Second * time.Duration(3)):
				quitChan <- true
				fmt.Println("timeout, send notice")
				return
			}
		}
	}()

	for i := 0; i < 4; i++ {
		ch <- i
	}

	<-quitChan // 输出值,相当于收到通知,解除主程阻塞
	fmt.Println("main quit out")
}

使用 channel 的注意事项及死锁分析

未初始化的 channel 读写关闭操作

1.读:未初始化的channel,读取里面的数据时,会造成死锁deadlock

var ch chan int
<-ch  // 未初始化channel读数据会死锁

2.写:未初始化的channel,往里面写数据时,会造成死锁deadlock

var ch chan int
ch<-  // 未初始化channel写数据会死锁

3.关闭:未初始化的channel,关闭该channel时,会panic

var ch chan int
close(ch) // 关闭未初始化channel,触发panic

已初始化的 channel 读写关闭操作

1. 已初始化,没有缓冲区的channel

   // 代码片段1
   func main() {
        ch := make(chan int)
        ch <- 4
   }

代码片段1:没有缓冲channel,且只有写入没有读取,会产生死锁

   // 代码片段2
   func main() {
       ch := make(chan int)
       val, ok := <-ch
   }

代码片段2:没有缓冲channel,且只有读取没有写入,会产生死锁

   // 代码片段3
   func main() {
       ch := make(chan int)
       val, ok := <-ch
       if ok {
           fmt.Println(val)
       }
       ch <- 10 // 这里进行写入。但是前面已经产生死锁了
   }

代码片段3:没有缓冲channel,既有写入也有读出,但是在代码 val, ok := <-c 处已经产生死锁了。下面代码执行不到。

   // 代码片段4
   func main() {
   	ch := make(chan int)
   	ch <- 10
   	go readChan(ch)
   	
       time.Sleep(time.Second * 2)
   }
   
   func readChan(ch chan int) {
   	for {
   		val, ok := <-ch
   		fmt.Println("read ch: ", val)
   		if !ok {
   			break
   		}
   	}
   }

代码片段4:没有缓冲channel,既有写入也有读出,但是运行程序后,报错 fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

这是因为往 channle 里写入数据的代码 ch <- 10,这里写入数据时就已经产生死锁了。把 ch<-10go readChan(ch) 调换位置,程序就能正常运行,不会产生死锁。

   // 代码片段5
   func main() {
   	ch := make(chan int)
   
   	go writeChan(ch)
   
   	for {
   		val, ok := <-ch
   		fmt.Println("read ch: ", val)
   		if !ok {
   			break
   		}
   	}
   
   	time.Sleep(time.Second)
       fmt.Println("end")
   }
   
   func writeChan(ch chan int) {
   	for i := 0; i < 4; i++ {
   		ch <- i
   	}
   }

代码片段5:没有缓冲的channel,既有写入,也有读出,与上面几个代码片段不同的是,写入channel的数据不是一个。

思考一下,这个程序会产生死锁吗?10 秒时间思考下,先不要看下面。

也会产生死锁,它会输出完数据后,报错 fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

为什么呢?这个程序片段,既有读也有写而且先开一个goroutine写数据,为什么会死锁?

原因在于 main() 里的 for 循环。可能你会问,不是有 break 跳出 for 循环吗?代码是写了,但是程序并没有执行到这里。

因为 for 会不停的循环,而 val, ok := <-ch, 这里 ok 值一直是 true,因为程序里并没有哪里关闭 channel 啊。你们可以打印这个 ok 值看一看是不是一直是 true。当 for 循环把 channel 里的值读取完了后,程序再次运行到 val, ok := <-ch 时,产生死锁,因为 channel 里没有数据了。

找到原因了,那解决办法也很简单,在 writeChan 函数里关闭 channel,加上代码 close(ch)。告诉 for 我写完了,关闭 channel 了。

加上关闭 channel 代码后运行程序:

read ch:  0 , ok:  true
read ch:  1 , ok:  true
read ch:  2 , ok:  true
read ch:  3 , ok:  true
read ch:  0 , ok:  false
end

程序正常输出结果。

对于没有缓冲区的 channel (unbuffered channel) 容易产生死锁的几个代码片段分析,总结下:

  1. channel 要用 make 进行初始化操作
  2. 读取和写入要配对出现,并且不能在同一个 goroutine 里
  3. 一定先用 go 起一个协程执行读取或写入操作
  4. 多次写入数据,for 读取数据时,写入者注意关闭 channel(代码片段5)

2. 已初始化,有缓冲区的 channel

// 代码片段1
func main() {
    ch := make(chan int, 1)
    val, ok := <-ch
}

代码片段1:有缓冲channel,先读数据,这里会一直阻塞,产生死锁。

   // 代码片段2
   func main() {
       ch := make(chan int, 1)
       ch <- 10
       ch <- 10
   }

代码片段2:同代码片段1,有缓冲channel,且 channel 缓冲只有容量 1(片段2示例),写多个值而没有读,也会阻塞,产生死锁。

   // 代码片段3
   func main() {
   	ch := make(chan int, 1)
   	ch <- 10
   
   	val, ok := <-ch
   	if ok {
   		fmt.Println(val, ok)
   	}
   }

代码片段3:有缓冲的channel,有读有写,正常的输出结果。

有缓冲区的channel总结:

  1. 如果 channel 满了,发送者会阻塞
  2. 如果 channle 空了,接收者会阻塞
  3. 如果在同一个 goroutine 里,写数据操作一定在读数据操作前

参考

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