Go 中的 channel 与 Java BlockingQueue 的本质区别

2021年7月6日 5点热度 0条评论 来源: crossoverJie

前言

最近在实现两个需求,由于两者之间并没有依赖关系,所以想利用队列进行解耦;但在 Go 的标准库中并没有现成可用并且并发安全的数据结构;但 Go 提供了一个更加优雅的解决方案,那就是 channel

channel 应用

GoJava 的一个很大的区别就是并发模型不同,Go 采用的是 CSP(Communicating sequential processes) 模型;用 Go 官方的说法:

Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.

翻译过来就是:不用使用共享内存来通信,而是用通信来共享内存。

而这里所提到的通信,在 Go 里就是指代的 channel

只讲概念并不能快速的理解与应用,所以接下来会结合几个实际案例更方便理解。

futrue task

Go 官方没有提供类似于 JavaFutureTask 支持:

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
        Task task = new Task();
        FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(task);
        executorService.submit(futureTask);
        String s = futureTask.get();
        System.out.println(s);
        executorService.shutdown();
    }
}

class Task implements Callable<String> {
    @Override
    public String call() throws Exception {
        // 模拟http
        System.out.println("http request");
        Thread.sleep(1000);

        return "request success";
    }
}

但我们可以使用 channel 配合 goroutine 实现类似的功能:

func main() {
	ch := Request("https://github.com")
	select {
	case r := <-ch:
		fmt.Println(r)
	}
}
func Request(url string) <-chan string {
	ch := make(chan string)
	go func() {
		// 模拟http请求
		time.Sleep(time.Second)
		ch <- fmt.Sprintf("url=%s, res=%s", url, "ok")
	}()
	return ch
}

goroutine 发起请求后直接将这个 channel 返回,调用方会在请求响应之前一直阻塞,直到 goroutine 拿到了响应结果。

goroutine 互相通信

   /**
     * 偶数线程
     */
    public static class OuNum implements Runnable {
        private TwoThreadWaitNotifySimple number;

        public OuNum(TwoThreadWaitNotifySimple number) {
            this.number = number;
        }

        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 11; i++) {
                synchronized (TwoThreadWaitNotifySimple.class) {
                    if (number.flag) {
                        if (i % 2 == 0) {
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "+-+偶数" + i);

                            number.flag = false;
                            TwoThreadWaitNotifySimple.class.notify();
                        }

                    } else {
                        try {
                            TwoThreadWaitNotifySimple.class.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }


    /**
     * 奇数线程
     */
    public static class JiNum implements Runnable {
        private TwoThreadWaitNotifySimple number;

        public JiNum(TwoThreadWaitNotifySimple number) {
            this.number = number;
        }

        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 11; i++) {
                synchronized (TwoThreadWaitNotifySimple.class) {
                    if (!number.flag) {
                        if (i % 2 == 1) {
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "+-+奇数" + i);

                            number.flag = true;
                            TwoThreadWaitNotifySimple.class.notify();
                        }

                    } else {
                        try {
                            TwoThreadWaitNotifySimple.class.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }

这里截取了”两个线程交替打印奇偶数“的部分代码。

Java 提供了 object.wait()/object.notify() 这样的等待通知机制,可以实现两个线程间通信。

go 通过 channel 也能实现相同效果:

func main() {
	ch := make(chan struct{})
	go func() {
		for i := 1; i < 11; i++ {
			ch <- struct{}{}
			//奇数
			if i%2 == 1 {
				fmt.Println("奇数:", i)
			}
		}
	}()

	go func() {
		for i := 1; i < 11; i++ {
			<-ch
			if i%2 == 0 {
				fmt.Println("偶数:", i)
			}
		}
	}()

	time.Sleep(10 * time.Second)
}

本质上他们都是利用了线程(goroutine)阻塞然后唤醒的特性,只是 Java 是通过 wait/notify 机制;

而 go 提供的 channel 也有类似的特性:

  1. channel 发送数据时(ch<-struct{}{})会被阻塞,直到 channel 被消费(<-ch)。

以上针对于无缓冲 channel

channel 本身是由 go 原生保证并发安全的,不用额外的同步措施,可以放心使用。

广播通知

不仅是两个 goroutine 之间通信,同样也能广播通知,类似于如下 Java 代码:

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    synchronized (NotifyAll.class){
                        NotifyAll.class.wait();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "done....");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
        Thread.sleep(3000);
        synchronized (NotifyAll.class){
            NotifyAll.class.notifyAll();
        }
    }

主线程将所有等待的子线程全部唤醒,这个本质上也是通过 wait/notify 机制实现的,区别只是通知了所有等待的线程。

换做是 go 的实现:

func main() {
	notify := make(chan struct{})
	for i := 0; i < 10; i++ {
		go func(i int) {
			for {
				select {
				case <-notify:
					fmt.Println("done.......",i)
					return
				case <-time.After(1 * time.Second):
					fmt.Println("wait notify",i)

				}
			}
		}(i)
	}
	time.Sleep(1 * time.Second)
	close(notify)
	time.Sleep(3 * time.Second)
}

当关闭一个 channel 后,会使得所有获取 channelgoroutine 直接返回,不会阻塞,正是利用这一特性实现了广播通知所有 goroutine 的目的。

注意,同一个 channel 不能反复关闭,不然会出现panic。

channel 解耦

以上例子都是基于无缓冲的 channel,通常用于 goroutine 之间的同步;同时 channel 也具备缓冲的特性:

ch :=make(chan T, 100)

可以直接将其理解为队列,正是因为具有缓冲能力,所以我们可以将业务之间进行解耦,生产方只管往 channel 中丢数据,消费者只管将数据取出后做自己的业务。

同时也具有阻塞队列的特性:

  • channel 写满时生产者将会被阻塞。
  • channel 为空时消费者也会阻塞。

从上文的例子中可以看出,实现相同的功能 go 的写法会更加简单直接,相对的 Java 就会复杂许多(当然这也和这里使用的偏底层 api 有关)。

Java 中的 BlockingQueue

这些特性都与 Java 中的 BlockingQueue 非常类似,他们具有以下的相同点:

  • 可以通过两者来进行 goroutine/thread 通信。
  • 具备队列的特征,可以解耦业务。
  • 支持并发安全。

同样的他们又有很大的区别,从表现上看:

  • channel 支持 select 语法,对 channel 的管理更加简洁直观。
  • channel 支持关闭,不能向已关闭的 channel 发送消息。
  • channel 支持定义方向,在编译器的帮助下可以在语义上对行为的描述更加准确。

当然还有本质上的区别就是 channel 是 go 推荐的 CSP 模型的核心,具有编译器的支持,可以有很轻量的成本实现并发通信。

BlockingQueue 对于 Java 来说只是一个实现了并发安全的数据结构,即便不使用它也有其他的通信方式;只是他们都具有阻塞队列的特征,所有在初步接触 channel 时容易产生混淆。

相同点 channel 特有
阻塞策略 支持select
设置大小 支持关闭
并发安全 自定义方向
普通数据结构 编译器支持

总结

有过一门编程语言的使用经历在学习其他语言是确实是要方便许多,比如之前写过 Java 再看 Go 时就会发现许多类似之处,只是实现不同。

拿这里的并发通信来说,本质上是因为并发模型上的不同;

Go 更推荐使用通信来共享内存,而 Java 大部分场景都是使用共享内存来通信(这样就得加锁来同步)。

带着疑问来学习确实会事半功倍。

最近和网友讨论后再补充一下,其实 Go channel 的底层实现也是通过对共享内存的加锁来实现的,这点任何语言都不可避免。

既然都是共享内存那和我们自己使用共享内存有什么区别呢?主要还是 channel 的抽象层级更高,我们使用这类高抽象层级的方式编写代码会更易理解和维护。

但在一些特殊场景,需要追求极致的性能,降低加锁颗粒度时用共享内存会更加合适,所以 Go 官方也提供有 sync.Map/Mutex 这样的库;只是在并发场景下更推荐使用 channel 来解决问题。

    原文作者:crossoverJie
    原文地址: https://www.cnblogs.com/crossoverJie/p/14974273.html
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