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如何优雅地关闭Go channel

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天唯
2017.02.17 00:47* 字数 1709

本文译自:How To Close Channels in Golang Elegantly
几天前,我写了一篇文章来说明golang中channel的使用规范。在redditHN,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SafeSendSafeClose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/recoversync包的方案不够优雅。针对各种场景,下面介绍不用使用panic/recoversync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。

Golang
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