golang 中 channel 的詳細使用、使用注意事項及死鎖分析

九卷發表於2022-03-16

Golang

什麼是 channel 管道

它是一個資料管道，可以往裡面寫資料，從裡面讀資料。

channel 是 goroutine 之間資料通訊橋樑，而且是執行緒安全的。

channel 遵循先進先出原則。

寫入，讀出資料都會加鎖。

channel 可以分為 3 種型別：

只讀 channel，單向 channel
只寫 channel，單向 channel
可讀可寫 channel

channel 還可按是否帶有緩衝區分為：

帶緩衝區的 channel，定義了緩衝區大小，可以儲存多個資料
不帶緩衝區的 channel，只能存一個資料，並且只有當該資料被取出才能存下一個資料

channel 的基本使用

定義和宣告

// 只讀 channel
var readOnlyChan <-chan int  // channel 的型別為 int

// 只寫 channel
var writeOnlyChan chan<- int

// 可讀可寫
var ch chan int

// 或者使用 make 直接初始化
readOnlyChan1 := make(<-chan int, 2)  // 只讀且帶快取區的 channel
readOnlyChan2 := make(<-chan int)   // 只讀且不帶快取區 channel

writeOnlyChan3 := make(chan<- int, 4) // 只寫且帶快取區 channel
writeOnlyChan4 := make(chan<- int) // 只寫且不帶快取區 channel

ch := make(chan int, 10)  // 可讀可寫且帶快取區

ch <- 20  // 寫資料
i := <-ch  // 讀資料
i, ok := <-ch  // 還可以判斷讀取的資料

chan_var.go


package main

import (
    "fmt"
)

func main() {
    // var 宣告一個 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宣告一個channel，它返回的值是一個記憶體地址
        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)
}

// 輸出：
// 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種方式

操作 channel 一般有如下三種方式：

讀 <-ch
寫 ch<-
關閉 close(ch)

操作	nil的channel	正常channel	已關閉的channel
讀 <-ch	阻塞	成功或阻塞	讀到零值
寫 ch<-	阻塞	成功或阻塞	panic
關閉 close(ch)	panic	成功	panic

注意對於 nil channel 的情況，有1個特殊場景：

當 nil channel 在 select 的某個 case 中時，這個 case 會阻塞，但不會造成死鎖。

單向 channel

單向 channel：只讀和只寫的 channel

chan_uni.go

package main

import "fmt"

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

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

// 執行輸出
// ./chan_uni.go:9:14: invalid operation: <-ch (receive from send-only type chan<- int)
// 報錯，它是一個只寫 send-only channel

把上面程式碼main()函式裡初始化的單向channel，修改為可讀可寫channel，再執行

chan_uni2.go

package main

import "fmt"

func main() {
    // 把上面程式碼main()函式初始化的單向 channel 修改為可讀可寫的 channel
	ch := make(chan int)
	go testData(ch)
	fmt.Println(<-ch)
}

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

// 執行輸出：
// 10

// 沒有報錯，可以正常輸出結果

帶緩衝和不帶緩衝的 channel

不帶緩衝區 channel

chan_unbuffer.go

package main

import "fmt"

func main() {
    ch := make(chan int) // 無緩衝的channel
    go unbufferChan(ch)

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

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

// 輸出
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

帶緩衝區 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)
}

// 執行輸出：
// tom
// jimmy
// cate

再看一個例子：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
	}
}

// 執行輸出：
// 1
// 2
// 3
// 4
// 5
// 6
// 7
// 8
// 9

判斷 channel 是否關閉

if v, ok := <-ch; ok {
    fmt.Println(ch)
}

說明：

ok 為 true，讀到資料，且管道沒有關閉
ok 為 false，管道已關閉，沒有資料可讀

讀已經關閉的 channel 會讀到零值，如果不確定 channel 是否關閉，可以用這種方法來檢測。

range and close

range 可以遍歷陣列，map，字串，channel等。

一個傳送者可以關閉 channel，表明沒有任何資料傳送給這個 channel 了。接收者也可以測試channel是否關閉，通過 v, ok := <-ch 表示式中的 ok 值來判斷 channel 是否關閉。上一節已經說明 ok 為 false 時，表示 channel 沒有接收任何資料，它已經關閉了。

注意：僅僅只能是傳送者關閉一個 channel，而不能是接收者。給已經關閉的 channel 傳送資料會導致 panic。

Note: channels 不是檔案，你通常不需要關閉他們。那什麼時候需要關閉？當要告訴接收者沒有值傳送給 channel 了，這時就需要了。

比如終止 range 迴圈。

當 for range 遍歷 channel 時，如果傳送者沒有關閉 channel 或在 range 之後關閉，都會導致 deadlock(死鎖)。

下面是一個會產生死鎖的例子：

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) // 這裡關閉channel已經”通知“不到range了，會觸發死鎖。
              // 不管這裡是否關閉channel，都會報死鎖，close(ch)的位置就不對。
              // 且關閉channel的操作者也錯了，只能是傳送者關閉channel
}
// 執行程式輸出
// 0
// 1
// 2
// 3
// 4
// 5
// 6
// 7
// 8
// 9
// fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

改正也很簡單，把 close(ch) 移到 go func(){}() 裡，程式碼如下

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

這樣程式就可以正常執行，不會報 deadlock 的錯誤了。

把上面程式換一種方式來寫，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)
}

// 執行輸出：
// get val:  0
// get val:  1
// get val:  2
// get val:  3
// get val:  4

傳送者關閉 channel 時，for range 迴圈自動退出。

for 讀取channel

用 for 來不停迴圈讀取 channel 裡的資料。

把上面的 range 程式修改下,chan_for.go

package main

import (
	"fmt"
)

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

	for {
		val, ok := <-ch
		if ok == false {// ok 為 false，沒有資料可讀
			break // 跳出迴圈
		}
		fmt.Println("get val: ", val)
	}
}

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

// 執行輸出：
// 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)
}

// 執行輸出：
// 0
// 1
// 1
// 2
// 3
// 5
// 8
// 13
// 21
// 34
// quit

channel 的一些使用場景

1. 作為goroutine的資料傳輸管道

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

沒有緩衝區的 channel 可以作為同步資料的管道，起到同步資料的作用。

對沒有緩衝區的 channel 操作時，傳送的 goroutine 和接收的 goroutine 需要同時準備好，也就是傳送和接收需要一一配對，才能完成傳送和接收的操作。

如果兩方的 goroutine 沒有同時準備好，channel 會導致先執行傳送或接收的 goroutine 阻塞等待。這就是沒有緩衝區的 channel 作為資料同步的作用。

gobyexample 中的一個例子：

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 千萬不要在同一個 goroutine 協程裡傳送和接收資料。可能導致deadlock死鎖。

3. 非同步的channel

有緩衝區的 channel 可以作為非同步的 channel 使用。

有緩衝區的 channel 也有操作注意事項：

如果 channel 中沒有值了，channel 為空了，那麼接收者會被阻塞。

如果 channel 中的緩衝區滿了，那麼傳送者會被阻塞。

注意：有緩衝區的 channel，用完了要 close，不然處理這個channel 的 goroutine 會被阻塞，形成死鎖。

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，表示這裡的程式已經執行完了
	}()

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

	close(ch)  // 用完關閉channel
	<-quitChan // 接到channel通知後解除阻塞，這也是channel的一種用法
}

4.channel 超時處理

channel 結合 time 實現超時處理。

當一個 channel 讀取資料超過一定時間還沒有資料到來時，可以得到超時通知，防止一直阻塞當前 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 // 輸出值，相當於收到通知，解除主程阻塞
	fmt.Println("main quit out")
}

使用 channel 的注意事項及死鎖分析

未初始化的 channel 讀寫關閉操作

1.讀：未初始化的channel，讀取裡面的資料時，會造成死鎖deadlock

var ch chan int
<-ch  // 未初始化channel讀資料會死鎖

2.寫：未初始化的channel，往裡面寫資料時，會造成死鎖deadlock

var ch chan int
ch<-  // 未初始化channel寫資料會死鎖

3.關閉：未初始化的channel，關閉該channel時，會panic

var ch chan int
close(ch) // 關閉未初始化channel，觸發panic

已初始化的 channel 讀寫關閉操作

1. 已初始化，沒有緩衝區的channel

   // 程式碼片段1
   func main() {
        ch := make(chan int)
        ch <- 4
   }

程式碼片段1：沒有緩衝channel，且只有寫入沒有讀取，會產生死鎖

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

程式碼片段2：沒有緩衝channel，且只有讀取沒有寫入，會產生死鎖

   // 程式碼片段3
   func main() {
       ch := make(chan int)
       val, ok := <-ch
       if ok {
           fmt.Println(val)
       }
       ch <- 10 // 這裡進行寫入。但是前面已經產生死鎖了
   }

程式碼片段3：沒有緩衝channel，既有寫入也有讀出，但是在程式碼 val, ok := <-c 處已經產生死鎖了。下面程式碼執行不到。

   // 程式碼片段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
   		}
   	}
   }

程式碼片段4：沒有緩衝channel，既有寫入也有讀出，但是執行程式後，報錯 fatal error: all goroutines are asleep - deadlock! 。

這是因為往 channle 裡寫入資料的程式碼 ch <- 10，這裡寫入資料時就已經產生死鎖了。把 ch<-10 和 go readChan(ch) 調換位置，程式就能正常執行，不會產生死鎖。

   // 程式碼片段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
   	}
   }

程式碼片段5：沒有緩衝的channel，既有寫入，也有讀出，與上面幾個程式碼片段不同的是，寫入channel的資料不是一個。

思考一下，這個程式會產生死鎖嗎？10 秒時間思考下，先不要看下面。

也會產生死鎖，它會輸出完資料後，報錯 fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!。

為什麼呢？這個程式片段，既有讀也有寫而且先開一個goroutine寫資料，為什麼會死鎖？

原因在於 main() 裡的 for 迴圈。可能你會問，不是有 break 跳出 for 迴圈嗎？程式碼是寫了，但是程式並沒有執行到這裡。

因為 for 會不停的迴圈，而 val, ok := <-ch，這裡 ok 值一直是 true，因為程式裡並沒有哪裡關閉 channel 啊。你們可以列印這個 ok 值看一看是不是一直是 true。當 for 迴圈把 channel 裡的值讀取完了後，程式再次執行到 val, ok := <-ch 時，產生死鎖，因為 channel 裡沒有資料了。

找到原因了，那解決辦法也很簡單，在 writeChan 函式裡關閉 channel，加上程式碼 close(ch)。告訴 for 我寫完了，關閉 channel 了。

加上關閉 channel 程式碼後執行程式：

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

程式正常輸出結果。

對於沒有緩衝區的 channel (unbuffered channel) 容易產生死鎖的幾個程式碼片段分析，總結下:

channel 要用 make 進行初始化操作

讀取和寫入要配對出現，並且不能在同一個 goroutine 裡

一定先用 go 起一個協程執行讀取或寫入操作

多次寫入資料，for 讀取資料時，寫入者注意關閉 channel(程式碼片段5)

2. 已初始化，有緩衝區的 channel

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

程式碼片段1：有緩衝channel，先讀資料，這裡會一直阻塞，產生死鎖。

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

程式碼片段2：同程式碼片段1，有緩衝channel，只有寫沒有讀，也會阻塞，產生死鎖。

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

程式碼片段3：有緩衝的channel，有讀有寫，正常的輸出結果。

有緩衝區的channel總結：

如果 channel 滿了，傳送者會阻塞

如果 channle 空了，接收者會阻塞

如果在同一個 goroutine 裡，寫資料操作一定在讀資料操作前

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