Go底层channel实现原理及示例详解

介绍

Go是一门并发编程语言，其核心思想通过Goroutine和Channel实现轻量级并发。本文将详细讲解Go底层Channel实现原理，并提供两个示例说明。

Channel概述

Go中的Channel是一种实现同步、通信和控制Goroutine的途径，类似于Unix中的管道。它可以让不同的Goroutine之间进行数据传递，实现线程间通信。Channel是一种类型，可以通过make()函数创建，Channel是引用类型，即可以赋值给一个变量，此时变量的值是(Channel的引用)，通过引用操作，两个不同Goroutine可以操作同一个Channel。

Channel类型类型

chan T          // 可以传递类型为T的数据的通道
chan<- float64  // 只能发送float64类型数据的通道
<-chan int      // 只能接收int类型的数据

Channel的特性

• 在传递过程中，它是阻塞式的，也就是说当数据传递到Channel时，发送方会一直阻塞直到数据被读取。

• 当使用select关键字时，Channel是可以通过case语句来响应多个输入的。

• Channel是线程安全的，多个Goroutine可以同时访问。

Channel实现原理

Go语言中要求所有的Goroutine之间只能通过Channel通信，然而，这并不是硬性要求，而是经过深思熟虑后做出的决策。Channel的实现原理依赖于一个叫做“管道”（Pipe）的概念，这个概念指的是在编程语言中，为了实现不同线程之间进行通信的一种机制，可以看做是一个容器，用来存放数据。

在Go语言中，每个Channel都对应着一个管道（Pipe），当我们向Channel中“写入”一个数据时，Channel会把这个数据通过管道传递给接收者。在接收者从Channel中读取数据时，Channel则通过管道从发送者那里获取数据并返回给接收者。

实现上，Go语言中的管道就是这样的：用一个无限长的队列“缓存”（Buffer）来实现。每当我们向Channel中写入一条消息时，这条消息就会被“压入”缓存队列；当我们从Channel中读取消息时就会从队列中移除一条消息。

Channel的使用

示例1：单向Channel

// 创建一个只能发送string的Channel
func producer(ch chan<- string) {
    ch <- "hello"
    ch <- "world"
    close(ch)
}

// 创建一个只能接收string的Channel，并使用for循环不断读取消息
func consumer(ch <-chan string) {
    for message := range ch {
        fmt.Println(message)
    }
}

func main() {
    ch := make(chan string)
    go producer(ch)
    consumer(ch)
}

在这个示例中，我们创建了一个单向Channel ch，在producer中我们向ch中写入消息（hello和world），并且在完成工作之后关闭Channel；在consumer中，我们使用for循环不断地从Channel中读取消息（直到Channel被关闭），然后将消息输出。

示例2：带缓存的Channel

// 创建一个带缓存的Channel
func producer(ch chan<- string) {
    for i := 0; i < 5; i++ {
        ch <- fmt.Sprintf("message %d", i)
        fmt.Println("send message ", i)
    }
    close(ch)
}

// 创建一个只能接收string的Channel，并使用for循环不断读取消息
func consumer(ch <-chan string) {
    for message := range ch {
        fmt.Println(message)
    }
}

func main() {
    ch := make(chan string, 3)
    go producer(ch)
    consumer(ch)
}

在这个示例中，我们创建了一个带有缓存的Channel ch，缓存队列大小为3，在producer中，我们向ch中写入了消息（message0、message1、message2、…），由于ch的缓存队列大小为3，发送方只要队列未满，就会不断地向队列中写入数据；在consumer中，我们使用for循环不断地从Channel中读取消息（直到Channel被关闭），由于接收方的读取速度比发送方的写入速度要慢得多，所以发送方可以不断地往Channel里写消息，直到队列填满。