淺談GO中的Channel以及死鎖的造成

2022-03-18 19:00:40

寫在前面

這篇文章的誕生要感謝MIT 6.284課程。在其中一節課中，談到了多執行緒的協同的一些問題，其中就涉及到了channel這個概念，並由一段程式碼引發思考並逐漸深入得到了這篇文章。

引子

課程中有一段程式碼如下：

其大致含義是：程式碼背景是在進行多執行緒網路爬蟲頁面url，master執行緒啟動後，從channel通道中讀取當前頁面的所有url即urls，接著再對這個urls中的每一個url進行爬蟲讀取新頁面中的urls（即執行go worker(u, ch ,fetcher)），每啟動一個worker執行緒便開始向channel中寫入該url指向頁面中所有包含的urls，以供master執行緒讀取。

問題丟擲

那麼問題來了，為什麼第一層for迴圈不會range完ch之後便直接結束迴圈，還需要利用區域性變數n來根據特定情況跳出迴圈？

問題解釋

課程上的解釋是，這個range會一直阻塞，但並未提出解釋。其實，這裡很容易分析，因為當前的channel是一個無緩衝通道。所謂無緩衝通道，簡單的講就是兩個執行緒對channel進行操作，一個讀，一個寫，永遠都只能是寫一個，讀一個按照這樣的順序進行。更詳細一些的話，讀的那個執行緒會一直阻塞，直到寫的執行緒向channel中寫入一個資料。反之亦然，寫的執行緒在完成一次寫操作之後，也會一直阻塞直到另外一個執行緒完成對該channel的讀取操作。上述情況只有一種例外狀況，那就是該channel通道被某個執行緒close掉了：close(channel)。

而這裡的range其實不太等同於對陣列的range，這裡的range實質上為對channel通道的讀取。所以，在並未有認為close通道的前提下，該for迴圈會一直阻塞，不會退出，於是需要設定一個區域性狀態量n讓其退出迴圈，保證程式的正常執行。當然我們也可以通過close其channel來實現，不過我認為close的時機可能不是非常容易把握。

繼續深入

完成上述思考之後，對channel進行了較為的深入的分析，當然分析是以具體的實驗展開的。給出下述實驗程式碼：

func main() {
    test()
}

func test()  {
	ch := make(chan int,4)

	go func() {
		ch <- 1
		ch <- 2
		ch <- 3
		ch <- 4
	}()

	//go func() {
	for a := range ch {
		fmt.Print(a)
	}
	//}()

	fmt.Print("test is over")
}

執行結果直接報錯，顯示：fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!
即：出現死鎖。
為什麼會出現這種情況？
首先我們來分析一下這段程式碼的目的：利用channel通道，實現資料的傳遞，一個執行緒向channel通道中寫入資料，另外一個讀取。為什麼會出現死鎖呢？

首先我們分析一下當前程式有多少個執行緒在執行，main函數是主執行緒，呼叫test函數之後，主執行緒進入了test函數中繼續執行。而在test函數中，採用閉包函數或者說匿名函數的方法新開了一個執行緒，即goroutine去向已經生成的無緩衝通道中傳送資料。傳送的過程並非是主執行緒的任務，所以主執行緒在執行完go func之後馬上跳過繼續執行下面的for迴圈，也就是要將channel中的資料讀取出來。

for a := range ch {
		fmt.Print(a)
	}

這時，問題來了。現在兩個執行緒，主執行緒讀，另外一個寫。在另外一個執行緒完成最後一個寫之後，主執行緒開始阻塞等待新的寫操作，而主執行緒一旦阻塞整個test函數也無法結束，所以導致了死鎖的產生，主執行緒一直被阻塞。

明白了上述原因之後，解決方法便很簡單了，將從channel中讀資料的任務交給另外一個執行緒，而非主執行緒，主執行緒直接呼叫完test函數之後馬上結束，其他兩個執行緒的死活都不會影響到程式本身的執行，即主執行緒的執行。如下：

func main() {
    test()
}

func test()  {
	ch := make(chan int,4)

	go func() {
		ch <- 1
		ch <- 2
		ch <- 3
		ch <- 4
	}()

	go func() {
	for a := range ch {
		fmt.Print(a)
	}
	}()

	fmt.Print("test is over")
}

當然這種方法是偷懶的，這樣的操作有可能導致記憶體溢位等情況發生，所以最好還是讓傳送資料的執行緒在傳送完之後將channel關閉，如下所示：

func main() {
    test()
    time.Sleep(time.Second)
}

func test()  {
	ch := make(chan int,4)

	go func() {
		ch <- 1
		ch <- 2
		ch <- 3
		ch <- 4
		close(ch)
	}()

	go func() {
	for a := range ch {
		fmt.Print(a)
	}
	}()

	fmt.Print("test is over")
}

輸出為：