Go 最细节篇 — chan 为啥没有判断 close 的接口 ?

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Go 为什么没有判断 close 的接口？

相信大家初学 golang chan 的时候应该都遇到过 “send on closed channel” 的 panic 。这个 panic 是当你意图往一个已经 close 的 channel 里面投递元素的时候触发。那么你当你第一次遇到这个问题是否想过 channel 是否能提供一个接口方法来判断是否已经 close 了？我想过这个问题，但是把 chan 的源代码翻了个遍没有找到。为什么？

我先 hold 这个问题，我们捋一下跟 channel close 相关的事情，主要思考到 3 个问题：

1. 关闭 channel 究竟做了什么 ？
2. 怎么避免 close channel 导致的 panic 问题 ？
3. 怎么优雅的关闭 channel ？

关闭 channel 究竟做了什么？

首先，用户可以 close channel，如下：

c := make(chan int)
// ...
close(c)

用 gdb 或者 delve 调试下就能发现 close 一个 channel，编译器会转换成 closechan 函数，在这个函数里是关闭 channel 的全部实现了，我们可以分析下。

closechan

对应编译函数为 closechan ，该函数很简单，大概做 3 个事情：

1. 标志位置 1 ，也就是 c.closed = 1；
2. 释放资源，唤醒所有等待取元素的协程；
3. 释放资源，唤醒所有等待写元素的协程；

func closechan(c *hchan) {
	// 以下为锁内操作
	lock(&c.lock)
	// 不能重复 close 一个 channel，否则 panic
	if c.closed != 0 {
		unlock(&c.lock)
		panic(plainError("close of closed channel"))
	}

	// closed 标志位置 1
	c.closed = 1

	var glist gList
	// 释放所有等待取元素的 waiter 资源
	for {
		// 等待读的 waiter 出队
		sg := c.recvq.dequeue()
		// 资源一个个销毁
		if sg.elem != nil {
			typedmemclr(c.elemtype, sg.elem)
			sg.elem = nil
		}
		gp := sg.g
		gp.param = nil
		//  相应 goroutine 加到统一队列，下面会统一唤醒

		glist.push(gp)
	}

	// 释放所有等待写元素的 waiter 资源（他们之后将会 panic）
	for {
		// 等待写的 waiter 出队
		sg := c.sendq.dequeue()
		// 资源一个个销毁
		sg.elem = nil
		gp := sg.g
		gp.param = nil
		// 对应 goroutine 加到统一队列，下面会统一唤醒
		glist.push(gp)
	}
	unlock(&c.lock)

	// 唤醒所有的 waiter 对应的 goroutine （这个协程列表是上面 push 进来的）
	for !glist.empty() {
		gp := glist.pop()
		gp.schedlink = 0
		goready(gp, 3)
	}
}

通过上面的代码逻辑，我们窥视到两个重要的信息：

1. close chan 是有标识位的；
2. close chan 是会唤醒哪些等待的人们的；

但是很奇怪的是，我们 golang 官方没有提供一个接口用于判断 chan 是否关闭？那我们能不能实现一个判断 chan 是否 close 的方法呢？

一个判断 chan 是否 close 的函数

怎么实现？首先 isChanClose 函数有几点要求：

1. 能够指明确实是 close 的；
2. 任何时候能够正常运行，且有返回的（非阻塞）；

回忆下 golang channel 最详细剖析 章节，想想 send, recv 相关的函数，我们可以知道，当前 channel 给到用户的使用姿势本质上只有两种：读和写，我们实现的 isChanClose 也只能在这个基础上做。

• 写：c <- x
• 读：<-c 或 v := <-c 或 v, ok := <-c

思考方法一：通过“写”chan 实现

“写”肯定不能作为判断，总不能为了判断 chan 是否 close，我尝试往里面写数据吧？这个会导致 chansend 里面直接 panic 的，如下：

func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
        //  ...
        // 当 channel close 之后的处理逻辑
        if c.closed != 0 {
            unlock(&c.lock)
            panic(plainError("send on closed channel"))
        }
        //  ...
}

当然了，你路子要是野一点，这样做技术上也能实现，因为 panic 是可以捕捉的，只不过这也太野了吧，不推荐。

思考方法二：通过“读”chan 实现

“读”来判断。分析函数 chanrecv 可以知道，当尝试从一个已经 close 的 chan 读数据的时候，返回 （selected=true, received=false），我们通过 received = false 即可知道 channel 是否 close 。chanrecv 有如下代码：

func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
    // ...
    // 当 channel close 之后的处理逻辑
	if c.closed != 0 && c.qcount == 0 {
		unlock(&c.lock)
		if ep != nil {
			typedmemclr(c.elemtype, ep)
		}
		return true, false
	}
    // ...
}

所以，我们现在知道了，可以通过 “读”的效果来判断，但是我们不能直接写成这样：

// 错误示例
func isChanClose(ch chan int) bool {
    _, ok := <- c
}

上面是个错误示例，因为 _, ok := <-c 编译出来的是 chanrecv2 ，这个函数 block 赋值 true 传入的，所以当 c 是正常的时候，这里是阻塞的，所以这个不能用来作为一个正常的函数调用，因为会卡死协程，怎么解决这个问题？用 select 和 <-chan 来结合可以解决这个问题，select 和 <-chan 结合起来是对应 selectnbrecv 和 selectnbrecv2 这两个函数，这两个函数是非阻塞的（block = false ）。

正确示例：

func isChanClose(ch chan int) bool {
    select {
    case _, received := <- ch:
        return !received
    default:
    }
    return false
}

网上很多人举了一个 isChanClose 错误的例子，错误示例：

func isChanClose(ch chan int) bool {
    select {
    case  <- ch:
        return true
    default:
    }
    return false
}

思考下：为什么第一个例子是对的，第二个例子是错的？

因为，第一个例子编译出来对应的函数是 selectnbrecv2 ，第二个例子编译出来对应的是 selectnbrecv1 ，这两个函数的区别在于 selectnbrecv2 多了一个返回参数 received，只有这个函数才能指明是否元素出队成功，而 selected 只是判断是否要进到 select case 分支。我们通过 received 这个返回值（其实是一个入参，只不过是指针类型，函数内可修改）来反向推断 chan 是否 close 了。

小结：

1. case 的代码必须是 _, received := <- ch 的形式，如果仅仅是 <- ch 来判断，是错的逻辑，因为我们关注的是 received 的值；
2. select 必须要有 default 分支，否则会阻塞函数，我们这个函数要保证一定能正常返回；

chan close 原则

1. 永远不要尝试在读取端关闭 channel ，写入端无法知道 channel 是否已经关闭，往已关闭的 channel 写数据会 panic ；
2. 一个写入端，在这个写入端可以放心关闭 channel；
3. 多个写入端时，不要在写入端关闭 channel ，其他写入端无法知道 channel 是否已经关闭，关闭已经关闭的 channel 会发生 panic （你要想个办法保证只有一个人调用 close）；
4. channel 作为函数参数的时候，最好带方向；

其实这些原则只有一点：一定要是安全的是否才能去 close channel 。

其实并不需要 isChanClose 函数 !!!

上面实现的 isChanClose 是可以判断出 channel 是否 close，但是适用场景优先，因为可能等你 isChanClose 判断的时候返回值 false，你以为 channel 还是正常的，但是下一刻 channel 被关闭了，这个时候往里面“写”数据就又会 panic ，如下：

if isChanClose( c ) {
    // 关闭的场景，exit  
    return
}
// 未关闭的场景，继续执行（可能还是会 panic）
c <- x

因为判断之后还是有时间窗，所以 isChanClose 的适用还是有限，那么是否有更好的办法？

我们换一个思路，你其实并不是一定要判断 channel 是否 close，真正的目的是：安全的使用 channel，避免使用到已经关闭的 closed channel，从而导致 panic 。

这个问题的本质上是保证一个事件的时序，官方推荐通过 context 来配合使用，我们可以通过一个 ctx 变量来指明 close 事件，而不是直接去判断 channel 的一个状态。举个栗子：

select {
case <-ctx.Done():
    // ... exit
    return
case v, ok := <-c:
    // do something....
default:
    // do default ....
}

ctx.Done() 事件发生之后，我们就明确不去读 channel 的数据。

或者

select {
case <-ctx.Done():
    // ... exit
    return
default:
    // push 
    c <- x
}

ctx.Done() 事件发生之后，我们就明确不写数据到 channel ，或者不从 channel 里读数据，那么保证这个时序即可。就一定不会有问题。

我们只需要确保一点：

1. 触发时序保证：一定要先触发 ctx.Done() 事件，再去做 close channel 的操作，保证这个时序的才能保证 select 判断的时候没有问题；
   1. 只有这个时序，才能保证在获悉到 Done 事件的时候，一切还是安全的；
2. 条件判断顺序：select 的 case 先判断 ctx.Done() 事件，这个很重要哦，否则很有可能先执行了 chan 的操作从而导致 panic 问题；

怎么优雅关闭 chan ？

方法一：panic-recover

关闭一个 channel 直接调用 close 即可，但是关闭一个已经关闭的 channel 会导致 panic，怎么办？panic-recover 配合使用即可。

func SafeClose(ch chan int) (closed bool) {
	defer func() {
		if recover() != nil {
			closed = false
		}
	}()
	// 如果 ch 是一个已经关闭的，会 panic 的，然后被 recover 捕捉到；
	close(ch)
	return true
}

这并不优雅。

方法二：sync.Once

可以使用 sync.Once 来确保 close 只执行一次。

type ChanMgr struct {
	C    chan int
	once sync.Once
}
func NewChanMgr() *ChanMgr {
	return &ChanMgr{C: make(chan int)}
}
func (cm *ChanMgr) SafeClose() {
	cm.once.Do(func() { close(cm.C) })
}

这看着还可以。

方法三：事件同步来解决

对于关闭 channel 这个我们有两个简要的原则：

1. 永远不要尝试在读端关闭 channel ；
2. 永远只允许一个 goroutine（比如，只用来执行关闭操作的一个 goroutine ）执行关闭操作；

可以使用 sync.WaitGroup 来同步这个关闭事件，遵守以上的原则，举几个例子：

第一个例子：一个 sender

package main

import "sync"

func main() {
	// channel 初始化
	c := make(chan int, 10)
	// 用来 recevivers 同步事件的
	wg := sync.WaitGroup{}

	// sender（写端）
	go func() {
		// 入队
		c <- 1
		// ...
		// 满足某些情况，则 close channel
		close(c)
	}()

	// receivers （读端）
	for i := 0; i < 10; i++ {
		wg.Add(1)
		go func() {
			defer wg.Done()
			// ... 处理 channel 里的数据
			for v := range c {
				_ = v
			}
		}()
	}
	// 等待所有的 receivers 完成；
	wg.Wait()
}

这里例子里面，我们在 sender 的 goroutine 关闭 channel，因为只有一个 sender，所以关闭自然是安全的。receiver 使用 WaitGroup 来同步事件，receiver 的 for 循环只有在 channel close 之后才会退出，主协程的 wg.Wait() 语句只有所有的 receivers 都完成才会返回。所以，事件的顺序是：

1. 写端入队一个整形元素
2. 关闭 channel
3. 所有的读端安全退出
4. 主协程返回

一切都是安全的。

第二个例子：多个 sender

package main

import (
	"context"
	"sync"
	"time"
)

func main() {
	// channel 初始化
	c := make(chan int, 10)
	// 用来 recevivers 同步事件的
	wg := sync.WaitGroup{}
	// 上下文
	ctx, cancel := context.WithCancel(context.TODO())

	// 专门关闭的协程
	go func() {
		time.Sleep(2 * time.Second)
		cancel()
		// ... 某种条件下，关闭 channel
		close(c)
	}()

	// senders（写端）
	for i := 0; i < 10; i++ {
		go func(ctx context.Context, id int) {
			select {
			case <-ctx.Done():
				return
			case c <- id: // 入队
				// ...
			}
		}(ctx, i)
	}

	// receivers（读端）
	for i := 0; i < 10; i++ {
		wg.Add(1)
		go func() {
			defer wg.Done()
			// ... 处理 channel 里的数据
			for v := range c {
				_ = v
			}
		}()
	}
	// 等待所有的 receivers 完成；
	wg.Wait()
}

这个例子我们看到有多个 sender 和 receiver ，这种情况我们还是要保证一点：close(ch) 操作的只能有一个人，我们单独抽出来一个 goroutine 来做这个事情，并且使用 context 来做事件同步，事件发生顺序是：

1. 10 个写端协程（sender）运行，投递元素；
2. 10 个读端协程（receiver）运行，读取元素；
3. 2 分钟超时之后，单独协程执行 close(channel) 操作；
4. 主协程返回；

一切都是安全的。

总结

1. channel 并没有直接提供判断是否 close 的接口，官方推荐使用 context 和 select 语法配合使用，事件通知的方式，达到优雅判断 channel 关闭的效果；
2. channel 关闭姿势也有讲究，永远不要尝试在读端关闭，永远保持一个关闭入口处，使用 sync.WaitGroup 和 context 实现事件同步，达到优雅关闭效果；

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