Go语言的goroutines、信道和死锁

下面我们把一个loop放在一个goroutine里跑，我们可以使用关键字

func main() {
    go loop() // 启动一个goroutine
    loop()
}

可是为什么只输出了一趟呢？明明我们主线跑了一趟，也开了一个goroutine来跑一趟啊。

原来，在goroutine还没来得及跑loop的时候，主函数已经退出了。

main函数退出地太快了，我们要想办法阻止它过早地退出，一个办法是让main等待一下:

func main() {
    go loop()
    loop()
    time.Sleep(time.Second) // 停顿一秒
}

这次确实输出了两趟，目的达到了。

可是采用等待的办法并不好，如果goroutine在结束的时候，告诉下主线说“Hey, 我要跑完了！”就好了， 即所谓阻塞主线的办法，回忆下我们Python里面等待所有线程执行完毕的写法:

for thread in threads:
    thread.join()

是的，我们也需要一个类似 信道

信道是什么？简单说，是goroutine之间互相通讯的东西。类似我们Unix上的管道（可以在进程间传递消息）， 用来goroutine之间发消息和接收消息。其实，就是在做goroutine之间的内存共享。

使用

var channel chan int = make(chan int)
// 或
channel := make(chan int)

func main() {
    var messages chan string = make(chan string)
    go func(message string) {
        messages <- message // 存消息
    }("Ping!")

    fmt.Println(<-messages) // 取消息
}

var ch chan int = make(chan int)

func foo() {
    ch <- 0  // 向ch中加数据，如果没有其他goroutine来取走这个数据，那么挂起foo, 直到main函数把0这个数据拿走
}

func main() {
    go foo()
    <- ch // 从ch取数据，如果ch中还没放数据，那就挂起main线，直到foo函数中放数据为止
}

var complete chan int = make(chan int)

func loop() {
    for i := 0; i < 10; i++ {
        fmt.Printf("%d ", i)
    }

    complete <- 0 // 执行完毕了，发个消息
}


func main() {
    go loop()
    <- complete // 直到线程跑完, 取到消息. main在此阻塞住
}

func main() {
    ch := make(chan int)
    <- ch // 阻塞main goroutine, 信道c被锁
}

何谓死锁? 操作系统有讲过的，所有的线程或进程都在等待资源的释放。如上的程序中,
 只有一个goroutine, 所以当你向里面加数据或者存数据的话，都会锁死信道， 并且阻塞当前 goroutine, 
也就是所有的goroutine(其实就main线一个)都在等待信道的开放(没人拿走数据信道是不会开放的)，也就是死锁咯。

我发现死锁是一个很有意思的话题，这里有几个死锁的例子:

1. 只在单一的goroutine里操作无缓冲信道，一定死锁。比如你只在main函数里操作信道:

   func main() {
       ch := make(chan int)
       ch <- 1 // 1流入信道，堵塞当前线, 没人取走数据信道不会打开
       fmt.Println("This line code wont run") //在此行执行之前Go就会报死锁
   }
   

2. 如下也是一个死锁的例子:

   var ch1 chan int = make(chan int)
   var ch2 chan int = make(chan int)
   
   func say(s string) {
       fmt.Println(s)
       ch1 <- <- ch2 // ch1 等待 ch2流出的数据
   }
   
   func main() {
       go say("hello")
       <- ch1  // 堵塞主线
   }
   

   其中主线等ch1中的数据流出，ch1等ch2的数据流出，但是ch2等待数据流入，两个goroutine都在等，也就是死锁。

3. 其实，总结来看，为什么会死锁？非缓冲信道上如果发生了流入无流出，或者流出无流入，也就导致了死锁。或者这样理解 Go启动的所有goroutine里的非缓冲信道一定要一个线里存数据，一个线里取数据，要成对才行 。所以下面的示例一定死锁:

   c, quit := make(chan int), make(chan int)
   
   go func() {
      c <- 1  // c通道的数据没有被其他goroutine读取走，堵塞当前goroutine
      quit <- 0 // quit始终没有办法写入数据
   }()
   
   <- quit // quit 等待数据的写
   

   仔细分析的话，是由于：主线等待quit信道的数据流出，quit等待数据写入，而func被c通道堵塞，所有goroutine都在等，所以死锁。

   简单来看的话，一共两个线，func线中流入c通道的数据并没有在main线中流出，肯定死锁。

但是，是否果真 所有不成对向信道存取数据的情况都是死锁?

如下是个反例:

func main() {
    c := make(chan int)

    go func() {
       c <- 1
    }()
}

程序正常退出了，很简单，并不是我们那个总结不起作用了，还是因为一个让人很囧的原因，main又没等待其它goroutine，自己先跑完了， 所以没有数据流入c信道，一共执行了一个goroutine, 并且没有发生阻塞，所以没有死锁错误。

那么死锁的解决办法呢？

最简单的，把没取走的数据取走，没放入的数据放入， 因为无缓冲信道不能承载数据，那么就赶紧拿走！

具体来讲，就死锁例子3中的情况，可以这么避免死锁:

c, quit := make(chan int), make(chan int)

go func() {
    c <- 1
    quit <- 0
}()

<- c // 取走c的数据！
<-quit

另一个解决办法是缓冲信道, 即设置c有一个数据的缓冲大小:

c := make(chan int, 1)

这样的话，c可以缓存一个数据。也就是说，放入一个数据，c并不会挂起当前线, 再放一个才会挂起当前线直到第一个数据被其他goroutine取走, 也就是只阻塞在容量一定的时候，不达容量不阻塞。

这十分类似我们Python中的队列 无缓冲信道的数据进出顺序

我们已经知道，无缓冲信道从不存储数据，流入的数据必须要流出才可以。

观察以下的程序:

var ch chan int = make(chan int)

func foo(id int) { //id: 这个routine的标号
    ch <- id
}

func main() {
    // 开启5个routine
    for i := 0; i < 5; i++ {
        go foo(i)
    }

    // 取出信道中的数据
    for i := 0; i < 5; i++ {
        fmt.Print(<- ch)
    }
}

我们开了5个goroutine，然后又依次取数据。其实整个的执行过程细分的话，5个线的数据 依次流过信道ch, main打印之, 而宏观上我们看到的即 无缓冲信道的数据是先到先出，但是 无缓冲信道并不存储数据，只负责数据的流通

缓冲信道

终于到了这个话题了, 其实缓存信道用英文来讲更为达意: buffered channel.

缓冲这个词意思是，缓冲信道不仅可以流通数据，还可以缓存数据。它是有容量的，存入一个数据的话 , 可以先放在信道里，不必阻塞当前线而等待该数据取走。

当缓冲信道达到满的状态的时候，就会表现出阻塞了，因为这时再也不能承载更多的数据了，「你们必须把 数据拿走，才可以流入数据」。

在声明一个信道的时候，我们给make以第二个参数来指明它的容量(默认为0，即无缓冲):

var ch chan int = make(chan int, 2) // 写入2个元素都不会阻塞当前goroutine, 存储个数达到2的时候会阻塞

如下的例子，缓冲信道ch可以无缓冲的流入3个元素:

func main() {
    ch := make(chan int, 3)
    ch <- 1
    ch <- 2
    ch <- 3
}

如果你再试图流入一个数据的话，信道ch会阻塞main线, 报死锁。

也就是说，缓冲信道会在满容量的时候加锁。

其实，缓冲信道是先进先出的，我们可以把缓冲信道看作为一个线程安全的队列：

func main() {
    ch := make(chan int, 3)
    ch <- 1
    ch <- 2
    ch <- 3

    fmt.Println(<-ch) // 1
    fmt.Println(<-ch) // 2
    fmt.Println(<-ch) // 3
}

信道数据读取和信道关闭

你也许发现，上面的代码一个一个地去读取信道简直太费事了，Go语言允许我们使用

func main() {
    ch := make(chan int, 3)
    ch <- 1
    ch <- 2
    ch <- 3

    for v := range ch {
        fmt.Println(v)
    }
}

ch := make(chan int, 3)
ch <- 1
ch <- 2
ch <- 3
for v := range ch {
    fmt.Println(v)
    if len(ch) <= 0 { // 如果现有数据量为0，跳出循环
        break
    }
}

ch := make(chan int, 3)
ch <- 1
ch <- 2
ch <- 3

// 显式地关闭信道
close(ch)

for v := range ch {
    fmt.Println(v)
}

var quit chan int // 只开一个信道

func foo(id int) {
    fmt.Println(id)
    quit <- 0 // ok, finished
}

func main() {
    count := 1000
    quit = make(chan int) // 无缓冲

    for i := 0; i < count; i++ {
        go foo(i)
    }

    for i := 0; i < count; i++ {
        <- quit
    }
}

quit = make(chan int, count) // 容量1000