在并發(fā)編程中，許多編程語言采用共享內(nèi)存/狀態(tài)模型。然而，Go 通過實(shí)現(xiàn) 通信順序進(jìn)程 (CSP) 區(qū)別于眾多語言。在 CSP 中，一個(gè)程序由并行的進(jìn)程組成，這些進(jìn)程不共享狀態(tài)，而是使用通道進(jìn)行通信和同步它們的操作。因此，對(duì)于有意采用 Go 的開發(fā)人員來說，理解通道的工作原理變得至關(guān)重要。在本文中，我將使用 Gopher 運(yùn)行他們的虛構(gòu)咖啡館的可愛比喻來闡述通道，因?yàn)槲覉?jiān)信人類更容易通過視覺學(xué)習(xí)。

情景

Partier、Candier 和 Stringer 經(jīng)營一家咖啡館。由于制作咖啡需要比接受訂單更多的時(shí)間，Partier 將協(xié)助接受客戶的訂單，然后將這些訂單傳遞到廚房，Candier 和 Stringer 在那里制作咖啡。

Gopher's Cafe

無緩沖通道

最初，咖啡館以最簡單的方式運(yùn)營：每當(dāng)收到新訂單時(shí)，Partier 將訂單放入通道中，并等待 Candier 或 Stringer 中的任何一個(gè)在接受新訂單之前取走它。這種 Partier 和廚房之間的通信是通過無緩沖通道實(shí)現(xiàn)的，使用 ch := make(chan Order) 創(chuàng)建。當(dāng)通道中沒有待處理的訂單時(shí)，即使 Stringer 和 Candier 都準(zhǔn)備好接受新訂單，它們也會(huì)保持空閑狀態(tài)，等待新訂單到來。

無緩沖通道

當(dāng)收到新訂單時(shí)，Partier 將其放入通道中，使訂單可以被 Candier 或 Stringer 之一接受。但是，在繼續(xù)接受新訂單之前，Partier 必須等待其中一個(gè)從通道中獲取訂單。

由于 Stringer 和 Candier 都可以接受新訂單，因此訂單將立即被其中一個(gè)接受。但是，不能保證或預(yù)測哪個(gè)具體的接收者會(huì)獲取訂單。在 Stringer 和 Candier 之間的選擇是非確定性的，它依賴于諸如調(diào)度和 Go 運(yùn)行時(shí)的內(nèi)部機(jī)制等因素。假設(shè) Candier 獲取了第一個(gè)訂單。

Candier 完成處理第一個(gè)訂單后，她回到等待狀態(tài)。如果沒有新訂單到達(dá)，那么 Candier 和 Stringer 這兩名工作人員都會(huì)保持空閑狀態(tài)，直到 Partier 將另一個(gè)訂單放入通道中供他們處理。

當(dāng)新訂單到達(dá)并且 Stringer 和 Candier 都可以處理它時(shí)，即使 Candier 剛剛處理了前一個(gè)訂單，接收新訂單的具體工作人員仍然是不確定的。在這種情況下，假設(shè) Candier 再次被分配為第二個(gè)訂單的接收者。

在新訂單 order3 到達(dá)時(shí)，Candier 正在處理 order2，她沒有等待在行 order := <-ch 處，因此 Stringer 成為唯一可以接收 order3 的工作人員。因此，他會(huì)接收到它。

在將 order3 發(fā)送給 Stringer 后不久，order4 到達(dá)。此時(shí)，Stringer 和 Candier 已經(jīng)忙于處理各自的訂單，沒有人可以接收 order4。由于通道沒有緩沖，將 order4 放入通道會(huì)阻塞 Partier，直到 Stringer 或 Candier 可以接收 order4 為止。這種情況值得特別注意，因?yàn)槲医?jīng)?？吹饺藗儗?duì)無緩沖通道（使用 make(chan order) 或 make(chan order, 0) 創(chuàng)建）和具有緩沖大小為 1 的通道（使用 make(chan order, 1) 創(chuàng)建）感到困惑。因此，他們錯(cuò)誤地期望 ch <- order4 立即完成，允許 Partier 在 ch <- order5 處被阻塞之前接受 order5。如果您也是這樣認(rèn)為的，我已經(jīng)在 Go Playground 上創(chuàng)建了一個(gè)代碼片段，以幫助您糾正您的誤解 https://go.dev/play/p/shRNiDDJYB4。

帶緩沖通道

無緩沖通道是有效的，但它限制了總吞吐量。如果他們只接受一些訂單以便在后端（廚房）順序處理它們，那將更好。這可以通過使用帶緩沖通道來實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在，即使 Stringer 和 Candier 忙于處理他們的訂單，只要通道不滿，例如最多 3 個(gè)待處理訂單，Partier 仍然可以將新訂單放入通道并繼續(xù)接受其他訂單。

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引入帶緩沖通道后，咖啡館增強(qiáng)了處理更多訂單的能力。然而，選擇適當(dāng)?shù)木彌_區(qū)大小以保持客戶合理的等待時(shí)間非常重要。畢竟，沒有客戶想忍受過長的等待時(shí)間。有時(shí)，拒絕新訂單可能比接受新訂單但無法及時(shí)完成它們更可接受。此外，在使用帶緩沖通道的瞬時(shí)容器化（Docker）應(yīng)用程序時(shí)要小心，因?yàn)轭A(yù)計(jì)會(huì)隨機(jī)重啟，在這種情況下，從通道中恢復(fù)消息可能是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性甚至不可能的任務(wù)。

通道 vs 阻塞隊(duì)列

盡管基本上不同，Java 中的阻塞隊(duì)列用于線程之間的通信，而 Go 中的通道用于 Goroutine 的通信，但阻塞隊(duì)列和通道在某種程度上表現(xiàn)出相似之處。如果您熟悉阻塞隊(duì)列，那么理解通道肯定會(huì)更容易。

常見用途

通道是 Go 應(yīng)用程序中的基本和廣泛使用的功能，可以用于各種用途。通道的一些常見用例包括：

• Goroutine 通信：通道允許不同 Goroutine 之間進(jìn)行消息交換，使它們能夠協(xié)作而無需直接共享狀態(tài)。
• 工作池：如上面的示例所示，通道經(jīng)常用于管理工作池，其中多個(gè)相同的工作程序從共享通道中處理傳入任務(wù)。
• 分發(fā)和匯總：通道促進(jìn)了分發(fā)和匯總模式，多個(gè) Goroutine（分發(fā)）執(zhí)行工作并將結(jié)果發(fā)送到單個(gè)通道，而另一個(gè) Goroutine（匯總）消耗這些結(jié)果。
• 超時(shí)和截止期：通道與 select 語句結(jié)合使用，可以用于處理超時(shí)和截止期，確保程序可以優(yōu)雅地處理延遲并避免無限等待。

我將在其他文章中更詳細(xì)地探討通道的不同用法。但是，目前，讓我們通過實(shí)現(xiàn)上述咖啡館場景來結(jié)束這篇介紹性博客，并觀察通道如何在其中發(fā)揮作用。我們將探討 Partier、Candier 和 Stringer 之間的互動(dòng)，并觀察通道如何促進(jìn)它們之間的順暢通信和協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)咖啡館中的高效訂單處理和同步。

演示代碼

package main

import (
    "fmt"
    "log"
    "math/rand"
    "sync"
    "time"
)

func main() {
    ch := make(chan order, 3)
    wg := &sync.WaitGroup{}
    wg.Add(2)

    go func() {
        defer wg.Done()
        worker("Candier", ch)
    }()

    go func() {
        defer wg.Done()
        worker("Stringer", ch)
    }()

    for i := 0; i < 10; i++ {
        waitForOrders()
        o := order(i)
        log.Printf("Partier: I %v, I will pass it to the channel\n", o)
        ch <- o
    }

    log.Println("No more orders, closing the channel to signify workers to stop")
    close(ch)

    log.Println("Wait for workers to gracefully stop")
    wg.Wait()

    log.Println("All done")
}

func waitForOrders() {
    processingTime := time.Duration(rand.Intn(2)) * time.Second
    time.Sleep(processingTime)
}

func worker(name string, ch <-chan order) {
    for o := range ch {
        log.Printf("%s: I got %v, I will process it\n", name, o)
        processOrder(o)
        log.Printf("%s: I completed %v, I'm ready to take a new order\n", name, o)
    }

    log.Printf("%s: I'm done\n", name)
}

func processOrder(_ order) {
    processingTime := time.Duration(2+rand.Intn(2)) * time.Second
    time.Sleep(processingTime)
}

type order int

func (o order) String() string {
    return fmt.Sprintf("order-%02d", o)
}

您可以復(fù)制此代碼，在您的 IDE 上進(jìn)行調(diào)整并運(yùn)行，以更好地理解通道的工作原理。