用 C# 簡單類比 Google Go 語言中的 Channel 和 goroutine 機制

這是一個建立於 的文章，其中的資訊可能已經有所發展或是發生改變。

前段時間嘗試了一點 Google 的 Go 語言，感覺其很多特性還是不錯的。Go 語言旨在結合傳統編譯型的靜態語言和解釋型的動態語言的優點，在其中找到一個平衡。從而打造一個既快速（編譯執行），又方便編程的語言（動態語言往往文法簡單快捷）。同時，Go 語言還具備豐富的特性以支援並發編程，這在現在多核非常普及的情況下，是很重要和強大的一個功能。

Go 語言的並發特性主要有 goroutine, channel 等。

goroutine - 可以大致理解為一種輕量級的線程（或微線程），它是一種“分配在同一個地址空間內的，能夠並存執行的函數”。同時，它是輕量級的，不需要像分配線程那樣分配獨立的棧空間。所以理論上講，我們可以很容易的分配很多個 goroutine, 讓它們並發執行，而其開銷則比多線程程式要小得多，從而可以讓程式支援比較大的並發性。

channel - 顧名思義，就是通道。通道的目的是用來傳遞資料。在一個通道上我們可以執行資料的發送(Send)和接受(Receive)操作。對於非緩衝的 channel 而言，Receive 方法執行時，會判斷該通道上是否有值，如果沒有就會等待（阻塞），直到有一個值為止。同樣，在 channel 上有值，而尚未被一個 Receiver 接受的時候，Send 方法也會阻塞，直到 Channel 變空。這樣，通過一個簡單的機制就可以保證 Send 和 Receive 總是在不同的時間執行的，而且只有 Send 之後才能 Receive. 這樣就避免了常規的多線程編程中資料共用的問題。正如 Go 語言的文檔一句話所說：

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

不要通過共用記憶體來溝通；而是通過溝通來共用記憶體。

在常規的多線程編程裡，我們總是定義好一些類變數，如果這些變數有可能被多個線程同時訪問，那麼就需要加鎖。這樣帶來了一定的編程複雜性，如果代碼寫的稍有bug，則會導致讀/寫到錯誤的值。

而通過 channel 來溝通，我們得到了一個更為清晰的溝通方式。兩個線程（或者 goroutine）要讀寫相同的資料，則建立一個通道，雙方通過對這個通道執行 Send / Receive 的操作來設值或取值即可，相對而言，比較不容易出錯。

為了更好的理解這個原理，我嘗試了在 C# 中實作類別似的功能。

相對於 goroutine, 我沒有去實現微線程，因為這需要更複雜的調度機制（打算接下來進一步研究這方面）。我們可以暫時利用 Thread 來簡單的類比之。

而 Channel， 則用 Semaphone 控制同步的 Send / Receive 就可以了。

首先讓我們來實現一個簡單的 Channel，思想上面已經說過了：

/// <summary>/// 先實現簡單的沒有緩衝的 Channel./// </summary>/// <typeparam name="T"></typeparam>public class Channel<T>{T _value;// 開始不能 Receive.Semaphore _canReceive = new Semaphore(0, 1);// 開始沒有值，可以 SendSemaphore _canSend = new Semaphore(1, 1);public T Receive(){// 等待有值_canReceive.WaitOne();T value = _value;// 通知可以發送新的值了_canSend.Release();return value;}public void Send(T value){// 如果是非緩衝的情況，則為阻塞式的，需要等待已有的值被一個 Receiver 接受完，// 才能發送新值，不能連續 Send_canSend.WaitOne();_value = value;// 通知可以接收了_canReceive.Release();}}

接下來粗略的類比實現 goroutine 的文法：

public static class GoLang{/// <summary>/// 先簡單的用線程來類比 goroutine. 因為使用 channel 通訊，所以/// 不需考慮線程之間的資料共用/同步問題/// </summary>/// <param name="action"></param>public static void go(Action action){new Thread(new ThreadStart(action)).Start();}}

有了這些，我們可以寫一個 test case 來驗證了。下面的代碼簡單的建立一個並發的 routine，分別做整數的 send, receive 操作，以驗證是否能正確的發送和接受值：

/// <summary>/// 測試多個 Sender 多個 Receiver 同時在一個 channel 上發送/接受訊息/// </summary>private static void Test1(){var ch = new Channel<int>();// 啟動多個 SenderGoLang.go(() =>{var id = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;for (var i = 0; i < 7; i++){Thread.Sleep(new Random((int)DateTime.Now.Ticks).Next(3000));Console.WriteLine("線程{0}發送值: {1}", id, i);ch.Send(i);}});GoLang.go(() =>{var id = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;for (var i = 7; i < 15; i++){Thread.Sleep(new Random((int)DateTime.Now.Ticks).Next(3000));Console.WriteLine("線程{0}發送值: {1}", id, i);ch.Send(i);}});// 啟動多個 ReceiverGoLang.go(() =>{var id = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;for (var i = 0; i < 5; i++){//Console.WriteLine("線程{0}阻塞", id);var value = ch.Receive();Console.WriteLine("線程{0}獲得值: {1}", id, value);}});GoLang.go(() =>{var id = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;for (var i = 0; i < 5; i++){//Console.WriteLine("線程{0}阻塞", id);var value = ch.Receive();Console.WriteLine("線程{0}獲得值: {1}", id, value);}});GoLang.go(() =>{var id = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;for (var i = 0; i < 5; i++){//Console.WriteLine("線程{0}阻塞", id);var value = ch.Receive();Console.WriteLine("線程{0}獲得值: {1}", id, value);}});}

再嘗試實現一下 Go 語言文檔裡舉出的一個例子 - 篩法求素數：

（見：http://golang.org/doc/go_tutorial.html, Prime numbers)

public class PrimeNumbers{public void Main(){var primes = Sieve();// 測試：列印前100個素數for (var i = 0; i < 100; i++){Console.WriteLine(primes.Receive());}}/// <summary>/// 篩法求素數/// </summary>/// <returns></returns>Channel<int> Sieve(){var @out = new Channel<int>();GoLang.go(() =>{var ch = Generate();for (; ; ){// 當前序列中的第一個值總是素數var prime = ch.Receive();// 將其發送到輸出序列的尾部@out.Send(prime);// 用這個素數對列表進行過濾，在進入下一次迴圈，可以保證至少第一個數是素數ch = Filter(ch, prime);}});return @out;}/// <summary>/// 產生從2開始的自然數的無窮序列，這是原始數列/// 其開始元素 2 是一個素數。/// </summary>/// <returns></returns>Channel<int> Generate(){var ch = new Channel<int>();GoLang.go(() =>{for (var i = 2; ; i++){ch.Send(i);}});return ch;}/// <summary>/// 從輸入 channel 裡逐個讀取值，將不能被 prime 整除/// 的那些發送到輸出 channel （即用 prime 對 @in 序列進行一次篩選）/// </summary>Channel<int> Filter(Channel<int> @in, int prime){var @out = new Channel<int>();GoLang.go(() =>{for (; ; ){var i = @in.Receive();if (i % prime != 0){@out.Send(i);}}});return @out;}}

下面是整個測試工程的 Main 方法：

class Program{static void Main(string[] args){Test1();new PrimeNumbers().Main();Console.ReadLine();}}

因為代碼中已經詳細注釋了，不多做解釋。可以看到，利用 Channel 的概念（好像和 Reactive Programming 有點關係？），我們可以更清晰的構建多線程或者並發的應用程式。

學習其他語言，並不是為了學習其特定的文法，而是學習一種思想。

作者：木野狐@部落格園

轉載請註明出處。