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如何优雅地关闭Go channel

2020-06-10 11:40:54 admin 1078

本文译自：[How To Close Channels in Golang
Elegantly](https://link.jianshu.com?t=http://www.tapirgames.com/blog/golang-
channel-closing)。  
几天前，我写了一篇文章来说明golang中channel的使用规范。在[reddit](https://link.jianshu.com?t=https://www.reddit.com/r/golang/comments/5k489v/the_full_list_of_channel_rules_in_golang/)和[HN](https://link.jianshu.com?t=https://news.ycombinator.com/item?id=13252416)，那篇文章收到了很多赞同，但是我也收到了下面几个关于Go
channel设计和规范的批评：

1. 在不能更改channel状态的情况下，没有简单普遍的方式来检查channel是否已经关闭了
  2. 关闭已经关闭的channel会导致panic，所以在closer(关闭者)不知道channel是否已经关闭的情况下去关闭channel是很危险的
  3. 发送值到已经关闭的channel会导致panic，所以如果sender(发送者)在不知道channel是否已经关闭的情况下去向channel发送值是很危险的

那些批评看起来都很有道理（实际上并没有）。是的，没有一个内置函数可以检查一个channel是否已经关闭。如果你能确定不会向channel发送任何值，那么也确实需要一个简单的方法来检查channel是否已经关闭：

package main
    
    import "fmt"
    
    type T int
    
    func IsClosed(ch <-chan T) bool {
        select {
        case <-ch:
            return true
        default:
        }
        
        return false
    }
    
    func main() {
        c := make(chan T)
        fmt.Println(IsClosed(c)) // false
        close(c)
        fmt.Println(IsClosed(c)) // true
    }

上面已经提到了，没有一种适用的方式来检查channel是否已经关闭了。但是，就算有一个简单的 `closed(chan T)
bool`函数来检查channel是否已经关闭，它的用处还是很有限的，就像内置的`len`函数用来检查缓冲channel中元素数量一样。原因就在于，已经检查过的channel的状态有可能在调用了类似的方法返回之后就修改了，因此返回来的值已经不能够反映刚才检查的channel的当前状态了。  
尽管在调用`closed(ch)`返回`true`的情况下停止向channel发送值是可以的，但是如果调用`closed(ch)`返回`false`，那么关闭channel或者继续向channel发送值就不安全了（会panic）。

# The Channel Closing Principle

在使用Go channel的时候，一个适用的原则是 _不要从接收端关闭channel，也不要关闭有多个并发发送者的channel_
。换句话说，如果sender(发送者)只是唯一的sender或者是channel最后一个活跃的sender，那么你应该在sender的goroutine关闭channel，从而通知receiver(s)(接收者们)已经没有值可以读了。维持这条原则将保证永远不会发生向一个已经关闭的channel发送值或者关闭一个已经关闭的channel。  
（下面，我们将会称上面的原则为 _channel closing principle_

# 打破channel closing principle的解决方案

如果你因为某种原因从接收端（receiver side）关闭channel或者在多个发送者中的一个关闭channel，那么你应该使用列在[Golang
panic/recover Use
Cases](https://link.jianshu.com?t=http://www.tapirgames.com/blog/golang-panic-
use-cases)的函数来安全地发送值到channel中（假设channel的元素类型是T）

func SafeSend(ch chan T, value T) (closed bool) {
        defer func() {
            if recover() != nil {
                // the return result can be altered 
                // in a defer function call
                closed = true
            }
        }()
        
        ch <- value // panic if ch is closed
        return false // <=> closed = false; return
    }

如果channel `ch`没有被关闭的话，那么这个函数的性能将和`ch <-
value`接近。对于channel关闭的时候，`SafeSend`函数只会在每个sender goroutine中调用一次，因此程序不会有太大的性能损失。  
同样的想法也可以用在从多个goroutine关闭channel中：

func SafeClose(ch chan T) (justClosed bool) {
        defer func() {
            if recover() != nil {
                justClosed = false
            }
        }()
        
        // assume ch != nil here.
        close(ch) // panic if ch is closed
        return true
    }

很多人喜欢用`sync.Once`来关闭channel：

type MyChannel struct {
        C    chan T
        once sync.Once
    }
    
    func NewMyChannel() *MyChannel {
        return &MyChannel{C: make(chan T)}
    }
    
    func (mc *MyChannel) SafeClose() {
        mc.once.Do(func(){
            close(mc.C)
        })
    }

当然了，我们也可以用`sync.Mutex`来避免多次关闭channel：

type MyChannel struct {
        C      chan T
        closed bool
        mutex  sync.Mutex
    }
    
    func NewMyChannel() *MyChannel {
        return &MyChannel{C: make(chan T)}
    }
    
    func (mc *MyChannel) SafeClose() {
        mc.mutex.Lock()
        if !mc.closed {
            close(mc.C)
            mc.closed = true
        }
        mc.mutex.Unlock()
    }
    
    func (mc *MyChannel) IsClosed() bool {
        mc.mutex.Lock()
        defer mc.mutex.Unlock()
        return mc.closed
    }

我们应该要理解为什么Go不支持内置`SafeSend`和`SafeClose`函数，原因就在于并不推荐从接收端或者多个并发发送端关闭channel。Golang甚至禁止关闭只接收（receive-
only）的channel。

# 保持channel closing principle的优雅方案

上面的`SaveSend`函数有一个缺点是，在select语句的`case`关键字后不能作为发送操作被调用（译者注：类似于 `case
SafeSend(ch,
t):`）。另外一个缺点是，很多人，包括我自己都觉得上面通过使用`panic`/`recover`和`sync`包的方案不够优雅。针对各种场景，下面介绍不用使用`panic`/`recover`和`sync`包，纯粹是利用channel的解决方案。  
（在下面的例子总，`sync.WaitGroup`只是用来让例子完整的。它的使用在实践中不一定一直都有用）

* M个receivers，一个sender，sender通过关闭data channel说“不再发送”  
这是最简单的场景了，就只是当sender不想再发送的时候让sender关闭data 来关闭channel：

package main
    
    import (
        "time"
        "math/rand"
        "sync"
        "log"
    )
    
    func main() {
        rand.Seed(time.Now().UnixNano())
        log.SetFlags(0)
        
        // ...
        const MaxRandomNumber = 100000
        const NumReceivers = 100
        
        wgReceivers := sync.WaitGroup{}
        wgReceivers.Add(NumReceivers)
        
        // ...
        dataCh := make(chan int, 100)
        
        // the sender
        go func() {
            for {
                if value := rand.Intn(MaxRandomNumber); value == 0 {
                    // the only sender can close the channel safely.
                    close(dataCh)
                    return
                } else {            
                    dataCh <- value
                }
            }
        }()
        
        // receivers
        for i := 0; i < NumReceivers; i++ {
            go func() {
                defer wgReceivers.Done()
                
                // receive values until dataCh is closed and
                // the value buffer queue of dataCh is empty.
                for value := range dataCh {
                    log.Println(value)
                }
            }()
        }
        
        wgReceivers.Wait()
    }

* 一个receiver，N个sender，receiver通过关闭一个额外的signal channel说“请停止发送”  
这种场景比上一个要复杂一点。我们不能让receiver关闭data channel，因为这么做将会打破 _channel closing
principle_ 。但是我们可以让receiver关闭一个额外的signal channel来通知sender停止发送值：

package main
    
    import (
        "time"
        "math/rand"
        "sync"
        "log"
    )
    
    func main() {
        rand.Seed(time.Now().UnixNano())
        log.SetFlags(0)
        
        // ...
        const MaxRandomNumber = 100000
        const NumSenders = 1000
        
        wgReceivers := sync.WaitGroup{}
        wgReceivers.Add(1)
        
        // ...
        dataCh := make(chan int, 100)
        stopCh := make(chan struct{})
            // stopCh is an additional signal channel.
            // Its sender is the receiver of channel dataCh.
            // Its reveivers are the senders of channel dataCh.
        
        // senders
        for i := 0; i < NumSenders; i++ {
            go func() {
                for {
                    value := rand.Intn(MaxRandomNumber)
                    
                    select {
                    case <- stopCh:
                        return
                    case dataCh <- value:
                    }
                }
            }()
        }
        
        // the receiver
        go func() {
            defer wgReceivers.Done()
            
            for value := range dataCh {
                if value == MaxRandomNumber-1 {
                    // the receiver of the dataCh channel is
                    // also the sender of the stopCh cahnnel.
                    // It is safe to close the stop channel here.
                    close(stopCh)
                    return
                }
                
                log.Println(value)
            }
        }()
        
        // ...
        wgReceivers.Wait()
    }

正如注释说的，对于额外的signal channel来说，它的sender是data channel的receiver。这个额外的signal
channel被它唯一的sender关闭，遵守了 _channel closing principle_ 。

* M个receiver，N个sender，它们当中任意一个通过通知一个moderator（仲裁者）关闭额外的signal channel来说“让我们结束游戏吧”  
这是最复杂的场景了。我们不能让任意的receivers和senders关闭data
channel，也不能让任何一个receivers通过关闭一个额外的signal
channel来通知所有的senders和receivers退出游戏。这么做的话会打破 _channel closing principle_
。但是，我们可以引入一个moderator来关闭一个额外的signal
channel。这个例子的一个技巧是怎么通知moderator去关闭额外的signal channel：

package main
    
    import (
        "time"
        "math/rand"
        "sync"
        "log"
        "strconv"
    )
    
    func main() {
        rand.Seed(time.Now().UnixNano())
        log.SetFlags(0)
        
        // ...
        const MaxRandomNumber = 100000
        const NumReceivers = 10
        const NumSenders = 1000
        
        wgReceivers := sync.WaitGroup{}
        wgReceivers.Add(NumReceivers)
        
        // ...
        dataCh := make(chan int, 100)
        stopCh := make(chan struct{})
            // stopCh is an additional signal channel.
            // Its sender is the moderator goroutine shown below.
            // Its reveivers are all senders and receivers of dataCh.
        toStop := make(chan string, 1)
            // the channel toStop is used to notify the moderator
            // to close the additional signal channel (stopCh).
            // Its senders are any senders and receivers of dataCh.
            // Its reveiver is the moderator goroutine shown below.
        
        var stoppedBy string
        
        // moderator
        go func() {
            stoppedBy = <- toStop // part of the trick used to notify the moderator
                                  // to close the additional signal channel.
            close(stopCh)
        }()
        
        // senders
        for i := 0; i < NumSenders; i++ {
            go func(id string) {
                for {
                    value := rand.Intn(MaxRandomNumber)
                    if value == 0 {
                        // here, a trick is used to notify the moderator
                        // to close the additional signal channel.
                        select {
                        case toStop <- "sender#" + id:
                        default:
                        }
                        return
                    }
                    
                    // the first select here is to try to exit the
                    // goroutine as early as possible.
                    select {
                    case <- stopCh:
                        return
                    default:
                    }
                    
                    select {
                    case <- stopCh:
                        return
                    case dataCh <- value:
                    }
                }
            }(strconv.Itoa(i))
        }
        
        // receivers
        for i := 0; i < NumReceivers; i++ {
            go func(id string) {
                defer wgReceivers.Done()
                
                for {
                    // same as senders, the first select here is to 
                    // try to exit the goroutine as early as possible.
                    select {
                    case <- stopCh:
                        return
                    default:
                    }
                    
                    select {
                    case <- stopCh:
                        return
                    case value := <-dataCh:
                        if value == MaxRandomNumber-1 {
                            // the same trick is used to notify the moderator 
                            // to close the additional signal channel.
                            select {
                            case toStop <- "receiver#" + id:
                            default:
                            }
                            return
                        }
                        
                        log.Println(value)
                    }
                }
            }(strconv.Itoa(i))
        }
        
        // ...
        wgReceivers.Wait()
        log.Println("stopped by", stoppedBy)
    }

在这个例子中，仍然遵守着 _channel closing principle_ 。  
请注意channel `toStop`的缓冲大小是1.这是为了避免当mederator goroutine 准备好之前第一个通知就已经发送了，导致丢失。

* 更多的场景？  
很多的场景变体是基于上面三种的。举个例子，一个基于最复杂情况的变体可能要求receivers读取buffer
channel中剩下所有的值。这应该很容易处理，所有这篇文章也就不提了。  
尽管上面三种场景不能覆盖所有Go channel的使用场景，但它们是最基础的，实践中的大多数场景都可以分类到那三种中。

# 结论

这里没有一种场景要求你去打破 _channel closing principle_ 。如果你遇到了这种场景，请思考一下你的设计并重写你的代码。  
用Go编程就像在创作艺术。

转载文章，原文链接：如何优雅地关闭Go channel

关键字词channel go

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