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再次探讨go实现无限 buffer 的 channel方法_Golang_

2023-05-26 497人已围观

简介 再次探讨go实现无限 buffer 的 channel方法_Golang_

前言

总所周知，go 里面只有两种 channel，一种是 unbuffered channel, 其声明方式为

 ch := make(chan interface{})

另一种是 buffered channel，其声明方式为

 bufferSize := 5 ch := make(chan interface{},bufferSize)

对于一个 buffered channel，无论它的 buffer 有多大，它终究是有极限的。这个极限就是该 channel 最初被 make 时，所指定的 bufferSize 。

jojo,buffer channel 的大小是有极限的，我不做 channel 了。

一旦 channel 满了的话，再往里面添加元素的话，将会阻塞。

so how can we make a infinite buffer channel？

本文参考了 medinum 上面的一篇文章，有兴趣的同学可以直接阅读原文。

实现

接口的设计

首先当然是建一个 struct，在百度翻译的帮助下，我们将这个 struct 取名为 InfiniteChannel

 type InfiniteChannel struct { }

思考一下 channel 的核心行为，实际上就两个，一个流入（Fan in）,一个流出（Fan out），因此我们添加如下几个 method。

 func (c *InfiniteChannel) In(val interface{}) { // todo } func (c *InfiniteChannel) Out() interface{} { // todo }

内部实现

通过 In() 接收的数据，总得需要一个地方来存放。我们可以用一个 slice 来存放，就算用 In() 往里面添加了很多元素，也可以通过 append() 来拓展 slice，slice 的容量可以无限拓展下去（内存足够的话），所以 channel 也是 infinite 。 InfiniteChannel 的第一个成员就这么敲定下来的。

 type InfiniteChannel struct { data []interface{} }

用户调用 In() 和 Out() 时，可能是并发的环境，在 go 中如何进行并发编程，最容易想到的肯定是 channel 了，因此我们在内部准备两个 channel，一个 inChan，一个 outChan，用 inChan 来接收数据，用 outChan 来流出数据。

 type InfiniteChannel struct { inChan chan interface{} outChan chan interface{} data []interface{} } func (c *InfiniteChannel) In(val interface{}) { c.inChan <- val } func (c *InfiniteChannel) Out() interface{} { return <-c.outChan }

其中, inChan 和 outChan 都是 unbuffered channel。

此外，也肯定是需要一个 select 来处理来自 inChan 和 outChan 身上的事件。因此我们另起一个协程，在里面做 select 操作。

 func (c *InfiniteChannel) background() { for true { select { case newVal := <-c.inChan: c.data = append(c.data, newVal) case c.outChan <- c.pop(): // pop() 将取出队列的首个元素 } } } func NewInfiniteChannel() *InfiniteChannel { c := &InfiniteChannel{ inChan: make(chan interface{}), outChan: make(chan interface{}), } go c.background() // 注意这里另起了一个协程 return c }

ps:感觉这也算是 go 并发编程的一个套路了。即

  1. 在 new struct 的时候，顺手 go 一个 select 协程，select 协程内执行一个 for 循环，不停的 select，监听一个或者多个 channel 的事件。
  2. struct 对外提供的 method，只会操作 struct 内的 channel（在本例中就是 inChan 和 outChan），不会操作 struct 内的其他数据（在本例中，In() 和 Out() 都没有直接操作 data）。
  3. 触发 channel 的事件后，由 select 协程进行数据的更新（在本例中就是 data ）。因为只有 select 协程对除 channel 外的数据成员进行读写操作，且 go 保证了对于 channel 的并发读写是安全的，所以代码是并发安全的。
  4. 如果 struct 是 exported ，用户或许会越过 new ，直接手动 make 一个 struct，可以考虑将 struct 设置为 unexported，把它的首字母小写即可。

pop() 的实现也非常简单。

 // 取出队列的首个元素，如果队列为空，将会返回一个 nil func (c *InfiniteChannel) pop() interface{} { if len(c.data) == 0 { return nil } val := c.data[0] c.data = c.data[1:] return val }

测试一下

用一个协程每秒钟生产一条数据，另一个协程每半秒消费一条数据，并打印。

 func main() { c := NewInfiniteChannel() go func() { for i := 0; i < 20; i++ { c.In(i) time.Sleep(time.Second) } }() for i := 0; i < 50; i++ { val := c.Out() fmt.Print(val) time.Sleep(time.Millisecond * 500) } }
 // out 012345678910111213141516171819 Process finished with the exit code 0

可以看到，将 InfiniteChannel 内没有数据可供消费时，调用 Out() 将会返回一个 nil，不过这也在我们的意料之中，原因是 pop() 在队列为空时，将会返回 nil。

目前 InfiniteChannel 的行为与标准的 channel 的行为是有出入的，go 中的 channel，在没有数据却仍要取数据时会被阻塞，如何实现这个效果？

优化

我认为此处是是整篇文章最有技巧的地方，我第一次看到时忍不住拍案叫绝。

首先把原来的 background() 摘出来

 func (c *InfiniteChannel) background() { for true { select { case newVal := <-c.inChan: c.data = append(c.data, newVal) case c.outChan <- c.pop(): } } }

对 outChan 进行一个简单封装

 func (c *InfiniteChannel) background() { for true { select { case newVal := <-c.inChan: c.data = append(c.data, newVal) case c.outChanWrapper() <- c.pop(): } } } func (c *InfiniteChannel) outChanWrapper() chan interface{} { return c.outChan }

目前为止，一切照旧。

点睛之笔来了：

 func (c *InfiniteChannel) outChanWrapper() chan interface{} { if len(c.data) == 0 { return nil } return c.outChan }

在 c.data 为空的时候，返回一个 nil

在 background() 中，当执行到 case c.outChan <- c.pop(): 时，实际上将会变成：

 case nil <- nil:

在 go 中，是无法往一个 nil 的 channel 中发送元素的。例如

 func main() { var c chan interface{} select { case c <- 1: } } // fatal error: all goroutines are asleep - deadlock! func main() { var c chan interface{} select { case c <- 1: default: fmt.Println("hello world") } } // hello world

因此，对于

 select { case newVal := <-c.inChan: c.data = append(c.data, newVal) case c.outChanWrapper() <- c.pop(): }

将会一直阻塞在 select 那里，直到 inChan 来了数据。

再测试一下

 012345678910111213141516171819fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

最后，程序 panic 了，因为死锁了。

补充

实际上 channel 除了 In() 和 Out() 外，还有一个行为，即 close()，如果 channel close 后，依旧从其中取元素的话，将会取出该类型的默认值。

 func main() { c := make(chan interface{}) close(c) for true { v := <-c fmt.Println(v) time.Sleep(time.Second) } } // output //  //  //  //  func main() { c := make(chan interface{}) close(c) for true { v, isOpen := <-c fmt.Println(v, isOpen) time.Sleep(time.Second) } } // output //  false //  false //  false //  false

我们也需要实现相同的效果。

 func (c *InfiniteChannel) Close() { close(c.inChan) } func (c *InfiniteChannel) background() { for true { select { case newVal, isOpen := <-c.inChan: if isOpen { c.data = append(c.data, newVal) } else { c.isOpen = false } case c.outChanWrapper() <- c.pop(): } } } func NewInfiniteChannel() *InfiniteChannel { c := &InfiniteChannel{ inChan: make(chan interface{}), outChan: make(chan interface{}), isOpen: true, } go c.background() return c } func (c *InfiniteChannel) outChanWrapper() chan interface{} { // 这里添加了对 c.isOpen 的判断 if c.isOpen && len(c.data) == 0 { return nil } return c.outChan }

再测试一下

 func main() { c := NewInfiniteChannel() go func() { for i := 0; i < 20; i++ { c.In(i) time.Sleep(time.Second) } c.Close() // 这里调用了 Close }() for i := 0; i < 50; i++ { val := c.Out() fmt.Print(val) time.Sleep(time.Millisecond * 500) } }
 // output 012345678910111213141516171819 Process finished with the exit code 0

符合预期

遗憾

目前看上去已经很完美了，但是和标准的 channel 相比，仍然有差距。因为标准的 channel 是有这种用法的

 v,isOpen := <- ch

可以通过 isOpen 变量来获取 channel 的开闭情况。

因此 InfiniteChannel 也应该提供一个类似的 method

 func (c *InfiniteChannel) OutAndIsOpen() (interface{}, bool) { // todo }

可惜的是，要想得知 InfiniteChannel 是否是 Open 的，就必定要访问 InfiniteChannel 内的 isOpen 成员。

 type InfiniteChannel struct { inChan chan interface{} outChan chan interface{} data []interface{} isOpen bool }

而 isOpen 并非 channel 类型，根据之前的套路，这种非 channel 类型的成员只应该被 select 协程访问。一旦有多个协程访问，就会出现并发问题，除非加锁。

我不能接受！所以干脆不提供这个 method 了，嘿嘿

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