Go 中的 channel 与 Java BlockingQueue 的本质区别

影者东升

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
　　Go 与 Java 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 Java 的 FutureTask 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：

  

• 向 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 channel 的 goroutine 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：

  

• 当 channel 写满时生产者将会被阻塞。  
  
• 当 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。
　　而 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。