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再次探討go實現(xiàn)無限 buffer 的 channel方法

前言

總所周知，go 里面只有兩種 channel，一種是 unbuffered channel, 其聲明方式為

ch := make(chan interface{})

另一種是 buffered channel，其聲明方式為

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

對于一個 buffered channel，無論它的 buffer 有多大，它終究是有極限的。這個極限就是該 channel 最初被 make 時，所指定的 bufferSize 。

jojo,buffer channel 的大小是有極限的，我不做 channel 了。

一旦 channel 滿了的話，再往里面添加元素的話，將會阻塞。

so how can we make a infinite buffer channel？

本文參考了 medinum 上面的一篇文章，有興趣的同學可以直接閱讀原文。

實現(xiàn)

接口的設(shè)計

首先當然是建一個 struct，在百度翻譯的幫助下，我們將這個 struct 取名為 InfiniteChannel

type InfiniteChannel struct {
}

思考一下 channel 的核心行為，實際上就兩個，一個流入（Fan in）,一個流出（Fan out），因此我們添加如下幾個 method。

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

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

內(nèi)部實現(xiàn)

通過 In() 接收的數(shù)據(jù)，總得需要一個地方來存放。我們可以用一個 slice 來存放，就算用 In() 往里面添加了很多元素，也可以通過 append() 來拓展 slice，slice 的容量可以無限拓展下去（內(nèi)存足夠的話），所以 channel 也是 infinite 。 InfiniteChannel 的第一個成員就這么敲定下來的。

type InfiniteChannel struct {
	data    []interface{}
}

用戶調(diào)用 In() 和 Out() 時，可能是并發(fā)的環(huán)境，在 go 中如何進行并發(fā)編程，最容易想到的肯定是 channel 了，因此我們在內(nèi)部準備兩個 channel，一個 inChan，一個 outChan，用 inChan 來接收數(shù)據(jù)，用 outChan 來流出數(shù)據(jù)。

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，也肯定是需要一個 select 來處理來自 inChan 和 outChan 身上的事件。因此我們另起一個協(xié)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() 將取出隊列的首個元素
		}
	}
}
func NewInfiniteChannel() *InfiniteChannel {
	c := InfiniteChannel{
		inChan:  make(chan interface{}),
		outChan: make(chan interface{}),
	}
	go c.background()	// 注意這里另起了一個協(xié)程
	return c
}

ps:感覺這也算是 go 并發(fā)編程的一個套路了。即

在 new struct 的時候，順手 go 一個 select 協(xié)程，select 協(xié)程內(nèi)執(zhí)行一個 for 循環(huán)，不停的 select，監(jiān)聽一個或者多個 channel 的事件。
struct 對外提供的 method，只會操作 struct 內(nèi)的 channel（在本例中就是 inChan 和 outChan），不會操作 struct 內(nèi)的其他數(shù)據(jù)（在本例中，In() 和 Out() 都沒有直接操作 data）。
觸發(fā) channel 的事件后，由 select 協(xié)程進行數(shù)據(jù)的更新（在本例中就是 data ）。因為只有 select 協(xié)程對除 channel 外的數(shù)據(jù)成員進行讀寫操作，且 go 保證了對于 channel 的并發(fā)讀寫是安全的，所以代碼是并發(fā)安全的。
如果 struct 是 exported ，用戶或許會越過 new ，直接手動 make 一個 struct，可以考慮將 struct 設(shè)置為 unexported，把它的首字母小寫即可。

pop() 的實現(xiàn)也非常簡單。

// 取出隊列的首個元素，如果隊列為空，將會返回一個 nil
func (c *InfiniteChannel) pop() interface{} {
	if len(c.data) == 0 {
		return nil
	}
	val := c.data[0]
	c.data = c.data[1:]
	return val
}

測試一下

用一個協(xié)程每秒鐘生產(chǎn)一條數(shù)據(jù)，另一個協(xié)程每半秒消費一條數(shù)據(jù)，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
nil>0nil>1nil>23nil>4nil>nil>5nil>67nil>nil>89nil>nil>1011nil>12nil>13nil>14nil>15nil>16nil>17nil>nil>1819nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>
Process finished with the exit code 0

可以看到，將 InfiniteChannel 內(nèi)沒有數(shù)據(jù)可供消費時，調(diào)用 Out() 將會返回一個 nil，不過這也在我們的意料之中，原因是 pop() 在隊列為空時，將會返回 nil。

目前 InfiniteChannel 的行為與標準的 channel 的行為是有出入的，go 中的 channel，在沒有數(shù)據(jù)卻仍要取數(shù)據(jù)時會被阻塞，如何實現(xiàn)這個效果？

優(yōu)化

我認為此處是是整篇文章最有技巧的地方，我第一次看到時忍不住拍案叫絕。

首先把原來的 background() 摘出來

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

對 outChan 進行一個簡單封裝

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
}

目前為止，一切照舊。

點睛之筆來了：

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

在 c.data 為空的時候，返回一個 nil

在 background() 中，當執(zhí)行到 case c.outChan - c.pop(): 時，實際上將會變成：

case nil - nil:

在 go 中，是無法往一個 nil 的 channel 中發(fā)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，對于

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

將會一直阻塞在 select 那里，直到 inChan 來了數(shù)據(jù)。

再測試一下

012345678910111213141516171819fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

最后，程序 panic 了，因為死鎖了。

補充

實際上 channel 除了 In() 和 Out() 外，還有一個行為，即 close()，如果 channel close 后，依舊從其中取元素的話，將會取出該類型的默認值。

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

我們也需要實現(xiàn)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{} {
    // 這里添加了對 c.isOpen 的判斷
	if c.isOpen  len(c.data) == 0 {
		return nil
	}
	return c.outChan
}

再測試一下

func main() {
	c := NewInfiniteChannel()
	go func() {
		for i := 0; i  20; i++ {
			c.In(i)
			time.Sleep(time.Second)
		}
		c.Close()		// 這里調(diào)用了 Close
	}()

	for i := 0; i  50; i++ {
		val := c.Out()
		fmt.Print(val)
		time.Sleep(time.Millisecond * 500)
	}
}

// output
012345678910111213141516171819nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>nil>
Process finished with the exit code 0

符合預期

遺憾

目前看上去已經(jīng)很完美了，但是和標準的 channel 相比，仍然有差距。因為標準的 channel 是有這種用法的

v,isOpen := - ch

可以通過 isOpen 變量來獲取 channel 的開閉情況。

因此 InfiniteChannel 也應(yīng)該提供一個類似的 method

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

可惜的是，要想得知 InfiniteChannel 是否是 Open 的，就必定要訪問 InfiniteChannel 內(nèi)的 isOpen 成員。

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

而 isOpen 并非 channel 類型，根據(jù)之前的套路，這種非 channel 類型的成員只應(yīng)該被 select 協(xié)程訪問。一旦有多個協(xié)程訪問，就會出現(xiàn)并發(fā)問題，除非加鎖。

我不能接受！所以干脆不提供這個 method 了，嘿嘿。

完整代碼

func main() {
	c := NewInfiniteChannel()
	go func() {
		for i := 0; i  20; i++ {
			c.In(i)
			time.Sleep(time.Second)
		}
		c.Close()
	}()

	for i := 0; i  50; i++ {
		val := c.Out()
		fmt.Print(val)
		time.Sleep(time.Millisecond * 500)
	}
}

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

func (c *InfiniteChannel) In(val interface{}) {
	c.inChan - val
}

func (c *InfiniteChannel) Out() interface{} {
	return -c.outChan
}

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
}

// 取出隊列的首個元素，如果隊列為空，將會返回一個 nil
func (c *InfiniteChannel) pop() interface{} {
	if len(c.data) == 0 {
		return nil
	}
	val := c.data[0]
	c.data = c.data[1:]
	return val
}

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

參考

https://medium.com/capital-one-tech/building-an-unbounded-channel-in-go-789e175cd2cd

以上就是再次探討go實現(xiàn)無限 buffer 的 channel方法的詳細內(nèi)容，更多關(guān)于go無限 buffer 的 channel的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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