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21-Go协程
Go 协程是什么？
Go 协程是与其他函数或方法一起并发运行的函数或方法。Go 协程可以看作是轻量级线程。与线程相比，创建一个 Go 协程的成本很小。因此在 Go 应用中，常常会看到有数以千计的 Go 协程并发地运行。
Go 协程相比于线程的优势
- 相比线程而言，Go 协程的成本极低。堆栈大小只有若干 kb，并且可以根据应用的需求进行增减。而线程必须指定堆栈的大小，其堆栈是固定不变的。
- Go 协程会复用（Multiplex）数量更少的 OS 线程。即使程序有数以千计的 Go 协程，也可能只有一个线程。如果该线程中的某一 Go 协程发生了阻塞（比如说等待用户输入），那么系统会再创建一个 OS 线程，并把其余 Go 协程都移动到这个新的 OS 线程。所有这一切都在运行时进行，作为程序员，我们没有直接面临这些复杂的细节，而是有一个简洁的 API 来处理并发。
- Go 协程使用信道（Channel）来进行通信。信道用于防止多个协程访问共享内存时发生竞态条件（Race Condition）。信道可以看作是 Go 协程之间通信的管道。我们会在下一教程详细讨论信道。
如何启动一个 Go 协程？
调用函数或者方法时，在前面加上关键字 go，可以让一个新的 Go 协程并发地运行。
让我们创建一个 Go 协程吧。
package main
import (
"fmt"
)
func hello() {
fmt.Println("Hello world goroutine")
}
func main() {
go hello()
fmt.Println("main function")
}
在第 11 行，go hello() 启动了一个新的 Go 协程。现在 hello() 函数与 main() 函数会并发地执行。主函数会运行在一个特有的 Go 协程上，它称为 Go 主协程（Main Goroutine）。
运行一下程序，你会很惊讶！
该程序只会输出文本 main function。我们启动的 Go 协程究竟出现了什么问题？要理解这一切，我们需要理解两个 Go 协程的主要性质。
- 启动一个新的协程时，协程的调用会立即返回。与函数不同，程序控制不会去等待 Go 协程执行完毕。在调用 Go 协程之后，程序控制会立即返回到代码的下一行，忽略该协程的任何返回值。
- 如果希望运行其他 Go 协程，Go 主协程必须继续运行着。如果 Go 主协程终止，则程序终止，于是其他 Go 协程也不会继续运行。
现在你应该能够理解，为何我们的 Go 协程没有运行了吧。在第 11 行调用了 go hello() 之后，程序控制没有等待 hello 协程结束，立即返回到了代码下一行，打印 main function。接着由于没有其他可执行的代码，Go 主协程终止，于是 hello 协程就没有机会运行了。
我们现在修复这个问题。
package main
import (
"fmt"
"time"
)
func hello() {
fmt.Println("Hello world goroutine")
}
func main() {
go hello()
time.Sleep(1 * time.Second)
fmt.Println("main function")
}
在上面程序的第 13 行，我们调用了 time 包里的函数 [Sleep]，该函数会休眠执行它的 Go 协程。在这里，我们使 Go 主协程休眠了 1 秒。因此在主协程终止之前，调用 go hello() 就有足够的时间来执行了。该程序首先打印 Hello world goroutine，等待 1 秒钟之后，接着打印 main function。
在 Go 主协程中使用休眠，以便等待其他协程执行完毕，这种方法只是用于理解 Go 协程如何工作的技巧。信道可用于在其他协程结束执行之前，阻塞 Go 主协程。我们会在下一教程中讨论信道。
启动多个 Go 协程
为了更好地理解 Go 协程，我们再编写一个程序，启动多个 Go 协程。
package main
import (
"fmt"
"time"
)
func numbers() {
for i := 1; i <= 5; i++ {
time.Sleep(250 * time.Millisecond)
fmt.Printf("%d ", i)
}
}
func alphabets() {
for i := 'a'; i <= 'e'; i++ {
time.Sleep(400 * time.Millisecond)
fmt.Printf("%c ", i)
}
}
func main() {
go numbers()
go alphabets()
time.Sleep(3000 * time.Millisecond)
fmt.Println("main terminated")
}
在上面程序中的第 21 行和第 22 行，启动了两个 Go 协程。现在，这两个协程并发地运行。numbers 协程首先休眠 250 微秒，接着打印 1，然后再次休眠，打印 2，依此类推，一直到打印 5 结束。alphabete 协程同样打印从 a 到 e 的字母，并且每次有 400 微秒的休眠时间。 Go 主协程启动了 numbers 和 alphabete 两个 Go 协程，休眠了 3000 微秒后终止程序。
该程序会输出：
1 a 2 3 b 4 c 5 d e main terminated
程序的运作如下图所示
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-T1mtjT3h-1647424727752)(/Users/liuqingzheng/Desktop/go%E7%B3%BB%E5%88%97%E6%95%99%E7%A8%8B/image-20190210175410170.png)]
第一张蓝色的图表示 numbers 协程，第二张褐红色的图表示 alphabets 协程，第三张绿色的图表示 Go 主协程，而最后一张黑色的图把以上三种协程合并了，表明程序是如何运行的。在每个方框顶部，诸如 0 ms 和 250 ms 这样的字符串表示时间（以微秒为单位）。在每个方框的底部，1、2、3 等表示输出。蓝色方框表示：250 ms 打印出 1，500 ms 打印出 2，依此类推。最后黑色方框的底部的值会是 1 a 2 3 b 4 c 5 d e main terminated，这同样也是整个程序的输出。以上图片非常直观，你可以用它来理解程序是如何运作的。
22-信道（channel）
什么是信道？
信道可以想像成 Go 协程之间通信的管道。如同管道中的水会从一端流到另一端，通过使用信道，数据也可以从一端发送，在另一端接收。
信道的声明
所有信道都关联了一个类型。信道只能运输这种类型的数据，而运输其他类型的数据都是非法的。
chan T 表示 T 类型的信道。
信道的零值为 nil。信道的零值没有什么用，应该像对 map 和切片所做的那样，用 make 来定义信道。
下面编写代码，声明一个信道。
package main
import "fmt"
func main() {
var a chan int
if a == nil {
fmt.Println("channel a is nil, going to define it")
a = make(chan int)
fmt.Printf("Type of a is %T", a)
}
}
由于信道的零值为 nil，在第 6 行，信道 a 的值就是 nil。于是，程序执行了 if 语句内的语句，定义了信道 a。程序中 a 是一个 int 类型的信道。该程序会输出：
channel a is nil, going to define it
Type of a is chan int
简短声明通常也是一种定义信道的简洁有效的方法。
a := make(chan int)
这一行代码同样定义了一个 int 类型的信道 a。
通过信道进行发送和接收
如下所示，该语法通过信道发送和接收数据。
data := <- a // 读取信道 a
a <- data // 写入信道 a
信道旁的箭头方向指定了是发送数据还是接收数据。
在第一行，箭头对于 a 来说是向外指的，因此我们读取了信道 a 的值，并把该值存储到变量 data。
在第二行，箭头指向了 a，因此我们在把数据写入信道 a。
发送与接收默认是阻塞的
发送与接收默认是阻塞的。这是什么意思？当把数据发送到信道时，程序控制会在发送数据的语句处发生阻塞，直到有其它 Go 协程从信道读取到数据，才会解除阻塞。与此类似，当读取信道的数据时，如果没有其它的协程把数据写入到这个信道，那么读取过程就会一直阻塞着。
信道的这种特性能够帮助 Go 协程之间进行高效的通信，不需要用到其他编程语言常见的显式锁或条件变量。
信道的代码示例
理论已经够了:)。接下来写点代码，看看协程之间通过信道是怎么通信的吧。
我们其实可以重写上章学习 [Go 协程]时写的程序，现在我们在这里用上信道。
首先引用前面教程里的程序。
package main
import (
"fmt"
"time"
)
func hello() {
fmt.Println("Hello world goroutine")
}
func main() {
go hello()
time.Sleep(1 * time.Second)
fmt.Println("main function")
}
这是上一篇的代码。我们使用到了休眠，使 Go 主协程等待 hello 协程结束。如果你看不懂，建议你阅读上一教程 [Go 协程]。
我们接下来使用信道来重写上面代码。
package main
import (
"fmt"
)
func hello(done chan bool) {
fmt.Println("Hello world goroutine")
done <- true
}
func main() {
done := make(chan bool)
go hello(done)
<-done
fmt.Println("main function")
}
在上述程序里，我们在第 12 行创建了一个 bool 类型的信道 done，并把 done 作为参数传递给了 hello 协程。在第 14 行，我们通过信道 done 接收数据。这一行代码发生了阻塞，除非有协程向 done 写入数据，否则程序不会跳到下一行代码。于是，这就不需要用以前的 time.Sleep 来阻止 Go 主协程退出了。
<-done 这行代码通过协程（译注：原文笔误，信道）done 接收数据，但并没有使用数据或者把数据存储到变量中。这完全是合法的。
现在我们的 Go 主协程发生了阻塞，等待信道 done 发送的数据。该信道作为参数传递给了协程 hello，hello 打印出 Hello world goroutine，接下来向 done 写入数据。当完成写入时，Go 主协程会通过信道 done 接收数据，于是它解除阻塞状态，打印出文本 main function。
该程序输出如下：
Hello world goroutine
main function
我们稍微修改一下程序，在 hello 协程里加入休眠函数，以便更好地理解阻塞的概念。
package main
import (
"fmt"
"time"
)
func hello(done chan bool) {
fmt.Println("hello go routine is going to sleep")
time.Sleep(4 * time.Second)
fmt.Println("hello go routine awake and going to write to done")
done <- true
}
func main() {
done := make(chan bool)
fmt.Println("Main going to call hello go goroutine")
go hello(done)
<-done
fmt.Println("Main received data")
}
在上面程序里，我们向 hello 函数里添加了 4 秒的休眠（第 10 行）。
程序首先会打印 Main going to call hello go goroutine。接着会开启 hello 协程，打印 hello go routine is going to sleep。打印完之后，hello 协程会休眠 4 秒钟，而在这期间，主协程会在 <-done 这一行发生阻塞，等待来自信道 done 的数据。4 秒钟之后，打印 hello go routine awake and going to write to done，接着再打印 Main received data。
信道的另一个示例
我们再编写一个程序来更好地理解信道。该程序会计算一个数中每一位的平方和与立方和，然后把平方和与立方和相加并打印出来。
例如，如果输出是 123，该程序会如下计算输出：
squares = (1 * 1) + (2 * 2) + (3 * 3)
cubes = (1 * 1 * 1) + (2 * 2 * 2) + (3 * 3 * 3)
output = squares + cubes = 50
我们会这样去构建程序：在一个单独的 Go 协程计算平方和，而在另一个协程计算立方和，最后在 Go 主协程把平方和与立方和相加。
package main
import (
"fmt"
)
func calcSquares(number int, squareop chan int) {
sum := 0
for number != 0 {
digit := number % 10
sum += digit * digit
number /= 10
}
squareop <- sum
}
func calcCubes(number int, cubeop chan int) {
sum := 0
for number != 0 {
digit := number % 10
sum += digit * digit * digit
number /= 10
}
cubeop <- sum
}
func main() {
number := 589
sqrch := make(chan int)
cubech := make(chan int)
go calcSquares(number, sqrch)
go calcCubes(number, cubech)
squares, cubes := <-sqrch, <-cubech
fmt.Println("Final output", squares + cubes)
}
在第 7 行，函数 calcSquares 计算一个数每位的平方和，并把结果发送给信道 squareop。与此类似，在第 17 行函数 calcCubes 计算一个数每位的立方和，并把结果发送给信道 cubop。
这两个函数分别在单独的协程里运行（第 31 行和第 32 行），每个函数都有传递信道的参数，以便写入数据。Go 主协程会在第 33 行等待两个信道传来的数据。一旦从两个信道接收完数据，数据就会存储在变量 squares 和 cubes 里，然后计算并打印出最后结果。该程序会输出：
Final output 1536
死锁
使用信道需要考虑的一个重点是死锁。当 Go 协程给一个信道发送数据时，照理说会有其他 Go 协程来接收数据。如果没有的话，程序就会在运行时触发 panic，形成死锁。
同理，当有 Go 协程等着从一个信道接收数据时，我们期望其他的 Go 协程会向该信道写入数据，要不然程序就会触发 panic。
package main
func main() {
ch := make(chan int)
ch <- 5
}
在上述程序中，我们创建了一个信道 ch，接着在下一行 ch <- 5，我们把 5 发送到这个信道。对于本程序，没有其他的协程从 ch 接收数据。于是程序触发 panic，出现如下运行时错误。
fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!
goroutine 1 [chan send]:
main.main()
/tmp/sandbox249677995/main.go:6 +0x80
单向信道
我们目前讨论的信道都是双向信道，即通过信道既能发送数据，又能接收数据。其实也可以创建单向信道，这种信道只能发送或者接收数据。
package main
import "fmt"
func sendData(sendch chan<- int) {
sendch <- 10
}
func main() {
sendch := make(chan<- int)
go sendData(sendch)
fmt.Println(<-sendch)
}
上面程序的第 10 行，我们创建了唯送（Send Only）信道 sendch。chan<- int 定义了唯送信道，因为箭头指向了 chan。在第 12 行，我们试图通过唯送信道接收数据，于是编译器报错：
main.go:11: invalid operation: <-sendch (receive from send-only type chan<- int)
一切都很顺利，只不过一个不能读取数据的唯送信道究竟有什么意义呢？
这就需要用到信道转换（Channel Conversion）了。把一个双向信道转换成唯送信道或者唯收（Receive Only）信道都是行得通的，但是反过来就不行。
package main
import "fmt"
func sendData(sendch chan<- int) {
sendch <- 10
}
func main() {
cha1 := make(chan int)
go sendData(cha1)
fmt.Println(<-cha1)
}
在上述程序的第 10 行，我们创建了一个双向信道 cha1。在第 11 行 cha1 作为参数传递给了 sendData 协程。在第 5 行，函数 sendData 里的参数 sendch chan<- int 把 cha1 转换为一个唯送信道。于是该信道在 sendData 协程里是一个唯送信道，而在 Go 主协程里是一个双向信道。该程序最终打印输出 10。
关闭信道和使用 for range 遍历信道
数据发送方可以关闭信道，通知接收方这个信道不再有数据发送过来。
当从信道接收数据时，接收方可以多用一个变量来检查信道是否已经关闭。
v, ok := <- ch
上面的语句里，如果成功接收信道所发送的数据，那么 ok 等于 true。而如果 ok 等于 false，说明我们试图读取一个关闭的通道。从关闭的信道读取到的值会是该信道类型的零值。例如，当信道是一个 int 类型的信道时，那么从关闭的信道读取的值将会是 0。
package main
import (
"fmt"
)
func producer(chnl chan int) {
for i := 0; i < 10; i++ {
chnl <- i
}
close(chnl)
}
func main() {
ch := make(chan int)
go producer(ch)
for {
v, ok := <-ch
if ok == false {
break
}
fmt.Println("Received ", v, ok)
}
}
在上述的程序中，producer 协程会从 0 到 9 写入信道 chn1，然后关闭该信道。主函数有一个无限的 for 循环（第 16 行），使用变量 ok（第 18 行）检查信道是否已经关闭。如果 ok 等于 false，说明信道已经关闭，于是退出 for 循环。如果 ok 等于 true，会打印出接收到的值和 ok 的值。
Received 0 true
Received 1 true
Received 2 true
Received 3 true
Received 4 true
Received 5 true
Received 6 true
Received 7 true
Received 8 true
Received 9 true
for range 循环用于在一个信道关闭之前，从信道接收数据。
接下来我们使用 for range 循环重写上面的代码。
package main
import (
"fmt"
)
func producer(chnl chan int) {
for i := 0; i < 10; i++ {
chnl <- i
}
close(chnl)
}
func main() {
ch := make(chan int)
go producer(ch)
for v := range ch {
fmt.Println("Received ",v)
}
}
在第 16 行，for range 循环从信道 ch 接收数据，直到该信道关闭。一旦关闭了 ch，循环会自动结束。该程序会输出：
Received 0
Received 1
Received 2
Received 3
Received 4
Received 5
Received 6
Received 7
Received 8
Received 9
我们可以使用 for range 循环，重写[信道的另一个示例]这一节里面的代码，提高代码的可重用性。
如果你仔细观察这段代码，会发现获得一个数里的每位数的代码在 calcSquares 和 calcCubes 两个函数内重复了。我们将把这段代码抽离出来，放在一个单独的函数里，然后并发地调用它。
package main
import (
"fmt"
)
func digits(number int, dchnl chan int) {
for number != 0 {
digit := number % 10
dchnl <- digit
number /= 10
}
close(dchnl)
}
func calcSquares(number int, squareop chan int) {
sum := 0
dch := make(chan int)
go digits(number, dch)
for digit := range dch {
sum += digit * digit
}
squareop <- sum
}
func calcCubes(number int, cubeop chan int) {
sum := 0
dch := make(chan int)
go digits(number, dch)
for digit := range dch {
sum += digit * digit * digit
}
cubeop <- sum
}
func main() {
number := 589
sqrch := make(chan int)
cubech := make(chan int)
go calcSquares(number, sqrch)
go calcCubes(number, cubech)
squares, cubes := <-sqrch, <-cubech
fmt.Println("Final output", squares+cubes)
}
上述程序里的 digits 函数，包含了获取一个数的每位数的逻辑，并且 calcSquares 和 calcCubes 两个函数并发地调用了 digits。当计算完数字里面的每一位数时，第 13 行就会关闭信道。calcSquares 和 calcCubes 两个协程使用 for range 循环分别监听了它们的信道，直到该信道关闭。程序的其他地方不变，该程序同样会输出：
Final output 1536
关于信道还有一些其他的概念，比如缓冲信道（Buffered Channel）、工作池（Worker Pool）和 select。我们会在接下来的教程里专门介绍它们
23-缓冲信道和工作池
什么是缓冲信道？
在[上一教程]里，我们讨论的主要是无缓冲信道。我们在[信道]的教程里详细讨论了，无缓冲信道的发送和接收过程是阻塞的。
我们还可以创建一个有缓冲（Buffer）的信道。只在缓冲已满的情况，才会阻塞向缓冲信道（Buffered Channel）发送数据。同样，只有在缓冲为空的时候，才会阻塞从缓冲信道接收数据。
通过向 make 函数再传递一个表示容量的参数（指定缓冲的大小），可以创建缓冲信道。
ch := make(chan type, capacity)
要让一个信道有缓冲，上面语法中的 capacity 应该大于 0。无缓冲信道的容量默认为 0，因此我们在[上一教程]创建信道时，省略了容量参数。
我们开始编写代码，创建一个缓冲信道。
示例一
package main
import (
"fmt"
)
func main() {
ch := make(chan string, 2)
ch <- "naveen"
ch <- "paul"
fmt.Println(<- ch)
fmt.Println(<- ch)
}
在上面程序里的第 9 行，我们创建了一个缓冲信道，其容量为 2。由于该信道的容量为 2，因此可向它写入两个字符串，而且不会发生阻塞。在第 10 行和第 11 行，我们向信道写入两个字符串，该信道并没有发生阻塞。我们又在第 12 行和第 13 行分别读取了这两个字符串。该程序输出：
naveen
paul
示例二
我们再看一个缓冲信道的示例，其中有一个并发的 Go 协程来向信道写入数据，而 Go 主协程负责读取数据。该示例帮助我们进一步理解，在向缓冲信道写入数据时，什么时候会发生阻塞。
package main
import (
"fmt"
"time"
)
func write(ch chan int) {
for i := 0; i < 5; i++ {
ch <- i
fmt.Println("successfully wrote", i, "to ch")
}
close(ch)
}
func main() {
ch := make(chan int, 2)
go write(ch)
time.Sleep(2 * time.Second)
for v := range ch {
fmt.Println("read value", v,"from ch")
time.Sleep(2 * time.Second)
}
}
在上面的程序中，第 16 行在 Go 主协程中创建了容量为 2 的缓冲信道 ch，而第 17 行把 ch 传递给了 write 协程。接下来 Go 主协程休眠了两秒。在这期间，write 协程在并发地运行。write 协程有一个 for 循环，依次向信道 ch 写入 0～4。而缓冲信道的容量为 2，因此 write 协程里立即会向 ch 写入 0 和 1，接下来发生阻塞，直到 ch 内的值被读取。因此，该程序立即打印出下面两行：
successfully wrote 0 to ch
successfully wrote 1 to ch
打印上面两行之后，write 协程中向 ch 的写入发生了阻塞，直到 ch 有值被读取到。而 Go 主协程休眠了两秒后，才开始读取该信道，因此在休眠期间程序不会打印任何结果。主协程结束休眠后，在第 19 行使用 for range 循环，开始读取信道 ch，打印出了读取到的值后又休眠两秒，这个循环一直到 ch 关闭才结束。所以该程序在两秒后会打印下面两行：
read value 0 from ch
successfully wrote 2 to ch
该过程会一直进行，直到信道读取完所有的值，并在 write 协程中关闭信道。最终输出如下：
successfully wrote 0 to ch
successfully wrote 1 to ch
read value 0 from ch
successfully wrote 2 to ch
read value 1 from ch
successfully wrote 3 to ch
read value 2 from ch
successfully wrote 4 to ch
read value 3 from ch
read value 4 from ch
死锁
package main
import (
"fmt"
)
func main() {
ch := make(chan string, 2)
ch <- "naveen"
ch <- "paul"
ch <- "steve"
fmt.Println(<-ch)
fmt.Println(<-ch)
}
在上面程序里，我们向容量为 2 的缓冲信道写入 3 个字符串。当在程序控制到达第 3 次写入时（第 11 行），由于它超出了信道的容量，因此这次写入发生了阻塞。现在想要这次写操作能够进行下去，必须要有其它协程来读取这个信道的数据。但在本例中，并没有并发协程来读取这个信道，因此这里会发生死锁（deadlock）。程序会在运行时触发 panic，信息如下：
fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!
goroutine 1 [chan send]:
main.main()
/tmp/sandbox274756028/main.go:11 +0x100
长度 vs 容量
缓冲信道的容量是指信道可以存储的值的数量。我们在使用 make 函数创建缓冲信道的时候会指定容量大小。
缓冲信道的长度是指信道中当前排队的元素个数。
代码可以把一切解释得很清楚。