Go并发模式：管道和显式取消
引言
Go并发原语使得构建流式数据管道，高效利用I/O和多核变得简单。这篇文章介绍了几个管道例子，重点指出在操作失败时的细微差别，并介绍了优雅处理失败的技术。
什么是管道？
Go没有正式的管道定义。管道只是众多并发程序的一类。一般的，一个管道就是一些列的由channel连接起来的阶段。每个阶段都有执行相同逻辑的goroutine。在每个阶段中，goroutine
- 从channel读取上游数据
- 在数据上执行一些操作，通常会产生新的数据
- 通过channel将数据发往下游
每个阶段都可以有任意个输入channel和输出channel，除了第一个和最有一个channel（只有输入channel或只有输出channel）。第一个步骤通常叫数据源或者生产者，最后一个叫做存储池或者消费者。
我们先从一个简单的管道例子来解释这些概念和技术，稍后我们会介绍一个更为复杂的例子。
数字的平方
假设管道有三个阶段。
第一步，gen函数,是一个将数字列表转换到一个channel中的函数。Gen函数启动了一个goroutine，将数字发送到channel，并在所有数字都发送完后关闭channel。
- func gen(nums ...int) <-chan int {
- out := make(chan int)
- go func() {
- for _, n := range nums {
- out <- n
- }
- close(out)
- }()
- return out
- }
第二个阶段，sq，从上面的channel接收数字，并返回一个包含所有收到数字的平方的channel。在上游channel关闭后，这个阶段已经往下游发送完所有的结果，然后关闭输出channel：
- func sq(in <-chan int) <-chan int {
- out := make(chan int)
- go func() {
- for n := range in {
- out <- n * n
- }
- close(out)
- }()
- return out
- }
main函数建立这个管道，并执行第一个阶段，从第二个阶段接收结果并逐个打印，直到channel被关闭。
- func main() {
- // Set up the pipeline.
- c := gen(2, 3)
- out := sq(c)
- // Consume the output.
- fmt.Println(<-out) // 4
- fmt.Println(<-out) // 9
- }
因为sq对输入channel和输出channel拥有相同的类型，我们可以任意次的组合他们。我们也可以像其他阶段一样，将main函数重写成一个循环遍历。
- func main() {
- // Set up the pipeline and consume the output.
- for n := range sq(sq(gen(2, 3))) {
- fmt.Println(n) // 16 then 81
- }
- }
扇出扇入（Fan-out, fan-in）
多个函数可以从同一个channel读取数据，直到这个channel关闭，这叫扇出。这是一种多个工作实例分布式地协作以并行利用CPU和I/O的方式。
一个函数可以从多个输入读取并处理数据，直到所有的输入channel都被关闭。这个函数会将所有输入channel导入一个单一的channel。这个单一的channel在所有输入channel都关闭后才会关闭。这叫做扇入。
我们可以设置我们的管道执行两个sq实例，每一个实例都从相同的输入channel读取数据。我们引入了一个新的函数，merge，来扇入结果:
- func main() {
- in := gen(2, 3)
- // Distribute the sq work across two goroutines that both read from in.
- c1 := sq(in)
- c2 := sq(in)
- // Consume the merged output from c1 and c2.
- for n := range merge(c1, c2) {
- fmt.Println(n) // 4 then 9, or 9 then 4
- }
- }
merge函数为每一个输入channel启动一个goroutine，goroutine将数据拷贝到同一个输出channel。这样就将多个channel转换成一个channel。一旦所有的output goroutine启动起来，merge就启动另一个goroutine，在所有输入拷贝完毕后关闭输出channel。
向一个关闭了的channel发送数据会触发异常，所以在调用close之前确认所有的发送动作都执行完毕很重要。sync.WaitGroup类型为这种同步提供了一种简便的方法:
- func merge(cs ...<-chan int) <-chan int {
- var wg sync.WaitGroup
- out := make(chan int)
- // Start an output goroutine for each input channel in cs. output
- // copies values from c to out until c is closed, then calls wg.Done.
- output := func(c <-chan int) {
- for n := range c {
- out <- n
- }
- wg.Done()
- }
- wg.Add(len(cs))
- for _, c := range cs {
- go output(c)
- }
- // Start a goroutine to close out once all the output goroutines are
- // done. This must start after the wg.Add call.
- go func() {
- wg.Wait()
- close(out)
- }()
- return out
- }
停止的艺术
我们所有的管道函数都遵循一种模式：
- 发送者在发送完毕时关闭其输出channel。
- 接收者持续从输入管道接收数据直到输入管道关闭。
这种模式使得每一个接收函数都能写成一个range循环，保证所有的goroutine在数据成功发送到下游后就关闭。
但是在真实的案例中，并不是所有的输入数据都需要被接收处理。有些时候是故意这么设计的：接收者可能只需要数据的子集就够了；或者更一般的，因为输入数据有错误而导致接收函数提早退出。上面任何一种情况下，接收者都不应该继续等待后续的数据到来，并且我们希望上游函数停止生成后续步骤已经不需要的数据。
在我们的管道例子中，如果一个阶段无法消费所有的输入数据，那些发送这些数据的goroutine就会一直阻塞下去：
- // Consume the first value from output.
- out := merge(c1, c2)
- fmt.Println(<-out) // 4 or 9
- return
- // Since we didn't receive the second value from out,
- // one of the output goroutines is hung attempting to send it.
- }
这是一种资源泄漏：goroutine会占用内存和运行时资源。goroutine栈持有的堆引用会阻止GC回收资源。而且goroutine不能被垃圾回收，必须主动退出。
我们必须重新设计管道中的上游函数，在下游函数无法接收所有输入数据时退出。一种方法就是让输出channel拥有一定的缓存。缓存可以存储一定数量的数据。如果缓存空间足够，发送操作就会马上返回:
- c := make(chan int, 2) // buffer size 2
- c <- 1 // succeeds immediately
- c <- 2 // succeeds immediately
- c <- 3 // blocks until another goroutine does <-c and receives 1
如果在channel创建时就知道需要发送数据的数量，带缓存的channel会简化代码。例如，我们可以重写gen函数，拷贝一系列的整数到一个带缓存的channel而不是创建一个新的goroutine：
- func gen(nums ...int) <-chan int {
- out := make(chan int, len(nums))
- for _, n := range nums {
- out <- n
- }
- close(out)
- return out
- }
反过来我们看管道中被阻塞的goroutine，我们可以考虑为merge函数返回的输出channel增加一个缓存：
- func merge(cs ...<-chan int) <-chan int {
- var wg sync.WaitGroup
- out := make(chan int, 1) // enough space for the unread inputs
- // ... the rest is unchanged ...
虽然这样可以避免了程序中goroutine的阻塞，但这是很烂的代码。选择缓存大小为1取决于知道merge函数接收数字的数量和下游函数消费数字的数量。这是很不稳定的：如果我们向gen多发送了一个数据，或者下游函数少消费了数据，我们就又一次阻塞了goroutine。
然而，我们需要提供一种方式，下游函数可以通知上游发送者下游要停止接收数据。
#p#
显式取消
当main函数决定在没有从out接收所有的数据而要退出时，它需要通知上游的goroutine取消即将发送的数据。可以通过向一个叫做done的channel发送数据来实现。因为有两个潜在阻塞的goroutine，main函数会发送两个数据：
- func main() {
- in := gen(2, 3)
- // Distribute the sq work across two goroutines that both read from in.
- c1 := sq(in)
- c2 := sq(in)
- // Consume the first value from output.
- done := make(chan struct{}, 2)
- out := merge(done, c1, c2)
- fmt.Println(<-out) // 4 or 9
- // Tell the remaining senders we're leaving.
- done <- struct{}{}
- done <- struct{}{}
- }
对发送goroutine而言，需要将发送操作替换为一个select语句，要么out发生发送操作，要么从done接收数据。done的数据类型是空的struct，因为其值无关紧要：仅仅表示out需要取消发送操作。output 继续在输入channel循环执行，因此上游函数是不会阻塞的。（接下来我们会讨论如何让循环提早退出）
- func merge(done <-chan struct{}, cs ...<-chan int) <-chan int {
- var wg sync.WaitGroup
- out := make(chan int)
- // Start an output goroutine for each input channel in cs. output
- // copies values from c to out until c is closed or it receives a value
- // from done, then output calls wg.Done.
- output := func(c <-chan int) {
- for n := range c {
- select {
- case out <- n:
- case <-done:
- }
- }
- wg.Done()
- }
- // ... the rest is unchanged ...
这种方法有一个问题：每一个下游函数需要知道潜在可能阻塞的上游发送者的数量，以发送响应的信号让其提早退出。跟踪这些数量是无趣的而且很容易出错。
我们需要一种能够让未知或无界数量的goroutine都能够停止向下游发送数据的方法。在Go中，我们可以通过关闭一个channel实现。因为从一个关闭了的channel执行接收操作总能马上成功，并返回相应数据类型的零值。
这意味着main函数仅通过关闭done就能实现将所有的发送者解除阻塞。关闭操作是一个高效的对发送者的广播信号。我们扩展管道中所有的函数接受done作为一个参数，并通过defer来实现相应channel的关闭操作。因此，无论main函数在哪一行退出都会通知上游退出。
- func main() {
- // Set up a done channel that's shared by the whole pipeline,
- // and close that channel when this pipeline exits, as a signal
- // for all the goroutines we started to exit.
- done := make(chan struct{})
- defer close(done)
- in := gen(done, 2, 3)
- // Distribute the sq work across two goroutines that both read from in.
- c1 := sq(done, in)
- c2 := sq(done, in)
- // Consume the first value from output.
- out := merge(done, c1, c2)
- fmt.Println(<-out) // 4 or 9
- // done will be closed by the deferred call.
- }
现在每一个管道函数在done被关闭后就可以马上返回了。merge函数中的output可以在接收管道的数据消费完之前返回，因为output函数知道上游发送者sq会在done关闭后停止产生数据。同时，output通过defer语句保证wq.Done会在所有退出路径上调用。
- func merge(done <-chan struct{}, cs ...<-chan int) <-chan int {
- var wg sync.WaitGroup
- out := make(chan int)
- // Start an output goroutine for each input channel in cs. output
- // copies values from c to out until c or done is closed, then calls
- // wg.Done.
- output := func(c <-chan int) {
- defer wg.Done()
- for n := range c {
- select {
- case out <- n:
- case <-done:
- return
- }
- }
- }
- // ... the rest is unchanged ...
类似的，sq也可以在done关闭后马上返回。sq通过defer语句使得任何退出路径都能关闭其输出channel out。
- func sq(done <-chan struct{}, in <-chan int) <-chan int {
- out := make(chan int)
- go func() {
- defer close(out)
- for n := range in {
- select {
- case out <- n * n:
- case <-done:
- return
- }
- }
- }()
- return out
- }
管道构建的指导思想如下：
- 每一个阶段在所有发送操作完成后关闭输出channel。
- 每一个阶段持续从输入channel接收数据直到输入channel被关闭或者生产者被解除阻塞（译者：生产者退出）。
管道解除生产者阻塞有两种方法：要么保证有足够的缓存空间存储将要被生产的数据，要么显式的通知生产者消费者要取消接收数据。
树形摘要
让我们来看一个更为实际的管道。
MD5是一个信息摘要算法，对于文件校验非常有用。命令行工具md5sum很有用，可以打印一系列文件的摘要值。
- % md5sum *.go
- d47c2bbc28298ca9befdfbc5d3aa4e65 bounded.go
- ee869afd31f83cbb2d10ee81b2b831dc parallel.go
- b88175e65fdcbc01ac08aaf1fd9b5e96 serial.go
我们的例子程序和md5sum类似，但是接受一个单一的文件夹作为参数，打印该文件夹下每一个普通文件的摘要值，并按路径名称排序。
- % go run serial.go .
- d47c2bbc28298ca9befdfbc5d3aa4e65 bounded.go
- ee869afd31f83cbb2d10ee81b2b831dc parallel.go
- b88175e65fdcbc01ac08aaf1fd9b5e96 serial.go
我们程序的main函数调用一个工具函数MD5ALL，该函数返回一个从路径名称到摘要值的哈希表，然后排序并输出结果：
- func main() {
- // Calculate the MD5 sum of all files under the specified directory,
- // then print the results sorted by path name.
- m, err := MD5All(os.Args[1])
- if err != nil {
- fmt.Println(err)
- return
- }
- var paths []string
- for path := range m {
- paths = append(paths, path)
- }
- sort.Strings(paths)
- for _, path := range paths {
- fmt.Printf("%x %s\n", m[path], path)
- }
- }
MD5ALL是我们讨论的核心。在 serial.go中，没有采用任何并发，仅仅遍历文件夹，读取文件并求出摘要值。
- // MD5All reads all the files in the file tree rooted at root and returns a map
- // from file path to the MD5 sum of the file's contents. If the directory walk
- // fails or any read operation fails, MD5All returns an error.
- func MD5All(root string) (map[string][md5.Size]byte, error) {
- m := make(map[string][md5.Size]byte)
- err := filepath.Walk(root, func(path string, info os.FileInfo, err error) error {
- if err != nil {
- return err
- }
- if info.IsDir() {
- return nil
- }
- data, err := ioutil.ReadFile(path)
- if err != nil {
- return err
- }
- m[path] = md5.Sum(data)
- return nil
- })
- if err != nil {
- return nil, err
- }
- return m, nil
- }
#p#
并行摘要求值
在parallel.go中，我们将MD5ALL分成两阶段的管道。第一个阶段，sumFiles，遍历文件夹，每个文件一个goroutine进行求摘要值，然后将结果发送一个数据类型为result的channel中：
- type result struct {
- path string
- sum [md5.Size]byte
- err error
- }
sumFiles 返回两个channel：一个用于生成结果，一个用于filepath.Walk返回错误。Walk函数为每一个普通文件启动一个goroutine，然后检查done，如果done被关闭，walk马上就会退出。
- func sumFiles(done <-chan struct{}, root string) (<-chan result, <-chan error) {
- // For each regular file, start a goroutine that sums the file and sends
- // the result on c. Send the result of the walk on errc.
- c := make(chan result)
- errc := make(chan error, 1)
- go func() {
- var wg sync.WaitGroup
- err := filepath.Walk(root, func(path string, info os.FileInfo, err error) error {
- if err != nil {
- return err
- }
- if info.IsDir() {
- return nil
- }
- wg.Add(1)
- go func() {
- data, err := ioutil.ReadFile(path)
- select {
- case c <- result{path, md5.Sum(data), err}:
- case <-done:
- }
- wg.Done()
- }()
- // Abort the walk if done is closed.
- select {
- case <-done:
- return errors.New("walk canceled")
- default:
- return nil
- }
- })
- // Walk has returned, so all calls to wg.Add are done. Start a
- // goroutine to close c once all the sends are done.
- go func() {
- wg.Wait()
- close(c)
- }()
- // No select needed here, since errc is buffered.
- errc <- err
- }()
- return c, errc
- }
MD5All 从c中接收摘要值。MD5All 在遇到错误时提前退出，通过defer关闭done。
- func MD5All(root string) (map[string][md5.Size]byte, error) {
- // MD5All closes the done channel when it returns; it may do so before
- // receiving all the values from c and errc.
- done := make(chan struct{})
- defer close(done)
- c, errc := sumFiles(done, root)
- m := make(map[string][md5.Size]byte)
- for r := range c {
- if r.err != nil {
- return nil, r.err
- }
- m[r.path] = r.sum
- }
- if err := <-errc; err != nil {
- return nil, err
- }
- return m, nil
- }
有界并行
parallel.go中实现的MD5ALL，对每一个文件启动了一个goroutine。在一个包含大量大文件的文件夹中，这会导致超过机器可用内存的内存分配。（译者注：即发生OOM）
我们可以通过限制读取文件的并发度来避免这种情况发生。在bounded.go中，我们通过创建一定数量的goroutine读取文件。现在我们的管道现在有三个阶段：遍历文件夹，读取文件并计算摘要值，收集摘要值。
第一个阶段，walkFiles，输出文件夹中普通文件的文件路径：
- func walkFiles(done <-chan struct{}, root string) (<-chan string, <-chan error) {
- paths := make(chan string)
- errc := make(chan error, 1)
- go func() {
- // Close the paths channel after Walk returns.
- defer close(paths)
- // No select needed for this send, since errc is buffered.
- errc <- filepath.Walk(root, func(path string, info os.FileInfo, err error) error {
- if err != nil {
- return err
- }
- if info.IsDir() {
- return nil
- }
- select {
- case paths <- path:
- case <-done:
- return errors.New("walk canceled")
- }
- return nil
- })
- }()
- return paths, errc
- }
中间的阶段启动一定数量的digester goroutine，从paths接收文件名称，并向c发送result结构:
- func digester(done <-chan struct{}, paths <-chan string, c chan<- result) {
- for path := range paths {
- data, err := ioutil.ReadFile(path)
- select {
- case c <- result{path, md5.Sum(data), err}:
- case <-done:
- return
- }
- }
- }
和前一个例子不同，digester并不关闭其输出channel，因为输出channel是共享的，多个goroutine会向同一个channel发送数据。MD5All 会在所有的digesters 结束后关闭响应的channel。
- // Start a fixed number of goroutines to read and digest files.
- c := make(chan result)
- var wg sync.WaitGroup
- const numDigesters = 20
- wg.Add(numDigesters)
- for i := 0; i < numDigesters; i++ {
- go func() {
- digester(done, paths, c)
- wg.Done()
- }()
- }
- go func() {
- wg.Wait()
- close(c)
- }()
我们也可以让每一个digester创建并返回自己的输出channel，但如果这样的话，我们需要额外的goroutine来扇入这些结果。
最后一个阶段从c中接收所有的result数据，并从errc中检查错误。这种检查不能在之前的阶段做，因为在这之前，walkFiles 可能被阻塞不能往下游发送数据：
- m := make(map[string][md5.Size]byte)
- for r := range c {
- if r.err != nil {
- return nil, r.err
- }
- m[r.path] = r.sum
- }
- // Check whether the Walk failed.
- if err := <-errc; err != nil {
- return nil, err
- }
- return m, nil
- }
结论
这篇文章介绍了如果用Go构建流式数据管道的技术。在这样的管道中处理错误有点取巧，因为管道中每一个阶段可能被阻塞不能往下游发送数据，下游阶段可能已经不关心输入数据。我们展示了关闭channel如何向所有管道启动的goroutine广播一个done信号，并且定义了正确构建管道的指导思想。
深入阅读：
• Go并发模式（视频）展示了Go并发原语的基本概念和几个实现的方法
• 高级Go并发模式（视频）包含几个更为复杂的Go并发原语的使用，尤其是select
• Douglas McIlroy的Squinting at Power Series论文展示了类似Go的并发模式如何为复杂的计算提供优雅的支持。
当前标题：Go并发模式：管道和显式取消
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