Go语言无缓冲的通道
前沿
Go语言中无缓冲的通道（unbuffered channel）是指在接收前没有能力保存任何值的通道。这种类型的通道要求发送 goroutine 和接收 goroutine 同时准备好，才能完成发送和接收操作。如果两个 goroutine 没有同时准备好，通道会导致先执行发送或接收操作的 goroutine 阻塞等待。这种对通道进行发送和接收的交互行为本身就是同步的。其中任意一个操作都无法离开另一个操作单独存在。阻塞指的是由于某种原因数据没有到达，当前协程（线程）持续处于等待状态，直到条件满足才解除阻塞。同步指的是在两个或多个协程（线程）之间，保持数据内容一致性的机制。下图展示两个 goroutine 如何利用无缓冲的通道来共享一个值。
图：使用无缓冲的通道在 goroutine 之间同步
在第 1 步，两个 goroutine 都到达通道，但哪个都没有开始执行发送或者接收。在第 2 步，左侧的 goroutine 将它的手伸进了通道，这模拟了向通道发送数据的行为。这时，这个 goroutine 会在通道中被锁住，直到交换完成。
在第 3 步，右侧的 goroutine 将它的手放入通道，这模拟了从通道里接收数据。这个 goroutine 一样也会在通道中被锁住，直到交换完成。在第 4 步和第 5 步，进行交换，并最终在第 6 步，两个 goroutine 都将它们的手从通道里拿出来，这模拟了被锁住的 goroutine 得到释放。两个 goroutine 现在都可以去做别的事情了。
为了讲得更清楚，让我们来看两个完整的例子。这两个例子都会使用无缓冲的通道在两个 goroutine 之间同步交换数据。
【示例1】
在网球比赛中，两位选手会把球在两个人之间来回传递。选手总是处在以下两种状态之一，要么在等待接球，要么将球打向对方。可以使用两个 goroutine 来模拟网球比赛，并使用无缓冲的通道来模拟球的来回，代码如下所示。
// 这个示例程序展示如何用无缓冲的通道来模拟
// 2 个goroutine 间的网球比赛
package main
import (
"fmt"
"math/rand"
"sync"
"time"
)
// wg 用来等待程序结束
var wg sync.WaitGroup
func init() {
rand.Seed(time.Now().UnixNano())
}
// main 是所有Go 程序的入口
func main() {
// 创建一个无缓冲的通道
court := make(chan int)
// 计数加 2，表示要等待两个goroutine
wg.Add(2)
// 启动两个选手
go player("Nadal", court)
go player("Djokovic", court)
// 发球
court <- 1
// 等待游戏结束
wg.Wait()
}
// player 模拟一个选手在打网球
func player(name string, court chan int) {
// 在函数退出时调用Done 来通知main 函数工作已经完成
defer wg.Done()
for {
// 等待球被击打过来
ball, ok := <-court
if !ok {
// 如果通道被关闭，我们就赢了
fmt.Printf("Player %s Won\n", name)
return
}
// 选随机数，然后用这个数来判断我们是否丢球
n := rand.Intn(100)
if n%13 == 0 {
fmt.Printf("Player %s Missed\n", name)
// 关闭通道，表示我们输了
close(court)
return
}
// 显示击球数，并将击球数加1
fmt.Printf("Player %s Hit %d\n", name, ball)
ball++
// 将球打向对手
court <- ball
}
}
运行输出：
Player Djokovic Hit 1
Player Nadal Hit 2
Player Djokovic Hit 3
Player Nadal Hit 4
Player Djokovic Hit 5
Player Nadal Hit 6
Player Djokovic Hit 7
Player Nadal Hit 8
Player Djokovic Hit 9
Player Nadal Hit 10
Player Djokovic Hit 11
Player Nadal Hit 12
Player Djokovic Hit 13
Player Nadal Hit 14
Player Djokovic Hit 15
Player Nadal Hit 16
Player Djokovic Hit 17
Player Nadal Hit 18
Player Djokovic Hit 19
Player Nadal Hit 20
Player Djokovic Hit 21
Player Nadal Hit 22
Player Djokovic Hit 23
Player Nadal Hit 24
Player Djokovic Hit 25
Player Nadal Hit 26
Player Djokovic Hit 27
Player Nadal Hit 28
Player Djokovic Hit 29
Player Nadal Hit 30
Player Djokovic Hit 31
Player Nadal Hit 32
Player Djokovic Hit 33
Player Nadal Missed
Player Djokovic Won
代码说明如下：
第 22 行，创建了一个 int 类型的无缓冲的通道，让两个 goroutine 在击球时能够互相同步。
第 28 行和第 29 行，创建了参与比赛的两个 goroutine。在这个时候，两个 goroutine 都阻塞住等待击球。
第 32 行，将球发到通道里，程序开始执行这个比赛，直到某个 goroutine 输掉比赛。
第 43 行可以找到一个无限循环的 for 语句。在这个循环里，是玩游戏的过程。
第 45 行，goroutine 从通道接收数据，用来表示等待接球。这个接收动作会锁住 goroutine，直到有数据发送到通道里。通道的接收动作返回时。
第 46 行会检测 ok 标志是否为 false。如果这个值是 false，表示通道已经被关闭，游戏结束。
第 53 行到第 60 行，会产生一个随机数，用来决定 goroutine 是否击中了球。
第 58 行如果某个 goroutine 没有打中球，关闭通道。之后两个 goroutine 都会返回，通过 defer 声明的 Done 会被执行，程序终止。
第 64 行，如果击中了球 ball 的值会递增 1，并在第 67 行，将 ball 作为球重新放入通道，发送给另一位选手。在这个时刻，两个 goroutine 都会被锁住，直到交换完成。
【示例 2】用不同的模式，使用无缓冲的通道，在 goroutine 之间同步数据，来模拟接力比赛。在接力比赛里，4 个跑步者围绕赛道轮流跑。第二个、第三个和第四个跑步者要接到前一位跑步者的接力棒后才能起跑。比赛中最重要的部分是要传递接力棒，要求同步传递。在同步接力棒的时候，参与接力的两个跑步者必须在同一时刻准备好交接。代码如下所示。
//这个示例程序展示如何用无缓冲的通道来模拟
//4个goroutine之间的接力比赛
package main
import (
"fmt"
"sync"
"time"
)
//wg 用来等待程序结束
var wg sync.WaitGroup
//main 是所有go程序的入口
func main() {
//创建一个无缓冲的通道
baton := make(chan int)
//为最后一位跑步者计数加1
wg.Add(1)
//第一位跑步者持有接力棒
go Runner(baton)
//开始比赛
baton <- 1
//等待比赛结束
wg.Wait()
}
//Runner 模拟接力比赛中的一位跑步者
func Runner(baton chan int) {
var newRunner int
//等待接力棒
runner := <-baton
//开始绕着跑道跑步
fmt.Printf("Runner %d To Line\n", newRunner)
//创建下一位跑步者
if runner != 4 {
newRunner = runner + 1
fmt.Printf("Runner %d To The Line\n", newRunner)
go Runner(baton)
}
//围绕跑道跑
time.Sleep(100 * time.Microsecond)
//比赛结束了吗
if runner == 4 {
fmt.Printf("Runner %d Finished,Race Over\n", runner)
wg.Done()
return
}
//将接力棒交给下一位跑步者
fmt.Printf("Runer %d Exchange with Runner %d\n", runner, newRunner)
baton <- newRunner
}
运行输出：
Runner 0 To Line
Runner 2 To The Line
Runer 1 Exchange with Runner 2
Runner 0 To Line
Runner 3 To The Line
Runer 2 Exchange with Runner 3
Runner 0 To Line
Runner 4 To The Line
Runer 3 Exchange with Runner 4
Runner 0 To Line
Runner 4 Finished,Race Over
代码说明如下：
第 17 行，创建了一个无缓冲的 int 类型的通道 baton，用来同步传递接力棒。
第 20 行，我们给 WaitGroup 加 1，这样 main 函数就会等最后一位跑步者跑步结束。
第 23 行创建了一个 goroutine，用来表示第一位跑步者来到跑道。
第 26 行，将接力棒交给这个跑步者，比赛开始。
第 29 行，main 函数阻塞在 WaitGroup，等候最后一位跑步者完成比赛。
第 37 行，goroutine 对 baton 通道执行接收操作，表示等候接力棒。
第 46 行，一旦接力棒传了进来，就会创建一位新跑步者，准备接力下一棒，直到 goroutine 是第四个跑步者。
第 50 行，跑步者围绕跑道跑 100 ms。
第 55 行，如果第四个跑步者完成了比赛，就调用 Done，将 WaitGroup 减 1，之后 goroutine 返回。
第 64 行，如果这个 goroutine 不是第四个跑步者，接力棒会交到下一个已经在等待的跑步者手上。在这个时候，goroutine 会被锁住，直到交接完成。
在这两个例子里，我们使用无缓冲的通道同步 goroutine，模拟了网球和接力赛。代码的流程与这两个活动在真实世界中的流程完全一样，这样的代码很容易读懂。
作者：月亮+六便士
