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使用反射操作channel

bigwhite发表于 2022-11-15 13:53:32

本文永久链接 – https://tonybai.com/2022/11/15/using-reflect-to-manipulate-channels

今年教师节极客时间送给讲师4999 SVIP卡，一直没顾过来用，上周激活后在极客时间的众多精品课和专栏中徜徉，收获颇丰。尤其是在拜读鸟窝老师的《Go并发编程实战课》后，get到一个以前从未用过的“技能点”：使用reflect操作channel，这里整理一下，把它分享给大家。

1. channel常规语法的“限制”

Go语言实现了基于CSP（Communicating Sequential Processes）理论的并发方案。方案包含两个重要元素，一个是Goroutine，它是Go应用并发设计的基本构建与执行单元；另一个就是channel，它在并发模型中扮演着重要的角色。channel既可以用来实现Goroutine间的通信，还可以实现Goroutine间的同步。

我们先来简要回顾一下有关channel的常规语法。

我们可以通过make(chan T, n)创建元素类型为T、容量为n的channel类型实例，比如：

ch1 := make(chan int)    // 创建一个无缓冲的channel实例ch1
ch2 := make(chan int, 5)  // 创建一个带缓冲的channel实例ch2

Go提供了“<-”操作符用于对channel类型变量进行发送与接收操作，下面是一些对上述channel ch1和ch2进行收发操作的代码示例：

ch1 <- 13    // 将整型字面值13发送到无缓冲channel类型变量ch1中
n := <- ch1  // 从无缓冲channel类型变量ch1中接收一个整型值存储到整型变量n中
ch2 <- 17    // 将整型字面值17发送到带缓冲channel类型变量ch2中
m := <- ch2  // 从带缓冲channel类型变量ch2中接收一个整型值存储到整型变量m中

Go不仅提供了单独操作channel的语法，还提供了可以同时对多个channel进行操作的select-case语法，比如下面代码：

select {
case x := <-ch1:     // 从channel ch1接收数据
  ... ...

case y, ok := <-ch2: // 从channel ch2接收数据，并根据ok值判断ch2是否已经关闭
  ... ...

case ch3 <- z:       // 将z值发送到channel ch3中:
  ... ...

default:             // 当上面case中的channel通信均无法实施时，执行该默认分支
}

我们看到：select语法中的case数量必须是固定的，我们只能把事先要交给select“监听”的channel准备好，在select语句中平铺开才可以。这就是select语句常规语法的限制，即select语法不支持动态的case集合。如果我们要监听的channel个数是不确定的，且在运行时会动态变化，那么select语法将无法满足我们的要求。

那怎么突破这一限制呢？鸟窝老师告诉我们用reflect包。

2. reflect.Select和reflect.SelectCase

很多朋友可能和我一样，因为没有使用过reflect包操作channel，就会以为reflect操作channel的能力是Go新版本才提供的，但实则不然。reflect包中用于操作channel的函数Select以及其切片参数的元素类型SelectCase早在Go 1.1版本就加入到Go语言中了，有下图为证：

那么如何使用这一“古老”的机制呢？我们一起来看一些例子。

首先我们来看第一种情况，也是最好理解的一种情况，即从一个动态的channel集合进行receive operations的select，下面是示例代码：

// github.com/bigwhite/experiments/tree/master/reflect-operate-channel/select-recv/main.go
package main

import (
    "fmt"
    "math/rand"
    "reflect"
    "sync"
    "time"
)

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(2)
    var rchs []chan int
    for i := 0; i < 10; i++ {
        rchs = append(rchs, make(chan int))
    }

    // 创建SelectCase
    var cases = createRecvCases(rchs)

    // 消费者goroutine
    go func() {
        defer wg.Done()
        for {
            chosen, recv, ok := reflect.Select(cases)
            if ok {
                fmt.Printf("recv from channel [%d], val=%v\n", chosen, recv)
                continue
            }
            // one of the channels is closed, exit the goroutine
            fmt.Printf("channel [%d] closed, select goroutine exit\n", chosen)
            return
        }
    }()

    // 生产者goroutine
    go func() {
        defer wg.Done()
        var n int
        s := rand.NewSource(time.Now().Unix())
        r := rand.New(s)
        for i := 0; i < 10; i++ {
            n = r.Intn(10)
            rchs[n] <- n
        }
        close(rchs[n])
    }()

    wg.Wait()
}

func createRecvCases(rchs []chan int) []reflect.SelectCase {
    var cases []reflect.SelectCase

    // 创建recv case
    for _, ch := range rchs {
        cases = append(cases, reflect.SelectCase{
            Dir:  reflect.SelectRecv,
            Chan: reflect.ValueOf(ch),
        })
    }
    return cases
}

在这个例子中，我们通过createRecvCases这个函数创建一个元素类型为reflect.SelectCase的切片，之后使用reflect.Select可以监听这个切片集合，就像常规select语法那样，从有数据的recv Channel集合中随机选出一个返回。

reflect.SelectCase有三个字段：

// $GOROOT/src/reflect/value.go
type SelectCase struct {
    Dir  SelectDir // direction of case
    Chan Value     // channel to use (for send or receive)
    Send Value     // value to send (for send)
}

其中Dir字段的值是一个“枚举”，枚举值如下：

// $GOROOT/src/reflect/value.go
const (
    _             SelectDir = iota
    SelectSend              // case Chan <- Send
    SelectRecv              // case <-Chan:
    SelectDefault           // default
)

从常量名我们也可以看出，Dir用于标识case的类型，SelectRecv表示这是一个从channel做receive操作的case，SelectSend表示这是一个向channel做send操作的case；SelectDefault则表示这是一个default case。

构建好SelectCase的切片后，我们就可以将其传给reflect.Select了。Select函数的语义与select关键字语义是一致的，它会监听传入的所有SelectCase，以上面示例为例，如果所有channel都没有数据，那么reflect.Select会阻塞，直到某个channel有数据或关闭。

Select函数有三个返回值：

// $GOROOT/src/reflect/value.go
func Select(cases []SelectCase) (chosen int, recv Value, recvOK bool)

对于上面示例而言，如果监听的某个case有数据了，那么Select的返回值chosen中存储了该channel在cases切片中的下标，recv中存储了从channel收到的值，recvOK等价于comma, ok模式的ok，当正常接收到由send channel操作发送的值时，recvOK为true，如果channel被close了，recvOK为false。

上面的示例启动了两个goroutine，一个goroutine充当消费者，由reflect.Select监听一组channel，当某个channel关闭时，该goroutine退出；另外一个goroutine则是随机的向这些channel中发送数据，发送10次后，关闭其中某个channel通知消费者退出。

我们运行一下该示例程序，得到如下结果：

$go run main.go
recv from channel [1], val=1
recv from channel [4], val=4
recv from channel [5], val=5
recv from channel [8], val=8
recv from channel [1], val=1
recv from channel [1], val=1
recv from channel [8], val=8
recv from channel [3], val=3
recv from channel [5], val=5
recv from channel [9], val=9
channel [9] closed, select goroutine exit

我们日常编码时经常会在select语句中加上default分支，以防止select完全阻塞，下面我们就来改造一下示例，让其增加对default分支的支持：

// github.com/bigwhite/experiments/tree/master/reflect-operate-channel/select-recv-with-default/main.go

package main

import (
    "fmt"
    "math/rand"
    "reflect"
    "sync"
    "time"
)

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(2)
    var rchs []chan int
    for i := 0; i < 10; i++ {
        rchs = append(rchs, make(chan int))
    }

    // 创建SelectCase
    var cases = createRecvCases(rchs, true)

    // 消费者goroutine
    go func() {
        defer wg.Done()
        for {
            chosen, recv, ok := reflect.Select(cases)
            if cases[chosen].Dir == reflect.SelectDefault {
                fmt.Println("choose the default")
                continue
            }
            if ok {
                fmt.Printf("recv from channel [%d], val=%v\n", chosen, recv)
                continue
            }
            // one of the channels is closed, exit the goroutine
            fmt.Printf("channel [%d] closed, select goroutine exit\n", chosen)
            return
        }
    }()

    // 生产者goroutine
    go func() {
        defer wg.Done()
        var n int
        s := rand.NewSource(time.Now().Unix())
        r := rand.New(s)
        for i := 0; i < 10; i++ {
            n = r.Intn(10)
            rchs[n] <- n
        }
        close(rchs[n])
    }()

    wg.Wait()
}

func createRecvCases(rchs []chan int, withDefault bool) []reflect.SelectCase {
    var cases []reflect.SelectCase

    // 创建recv case
    for _, ch := range rchs {
        cases = append(cases, reflect.SelectCase{
            Dir:  reflect.SelectRecv,
            Chan: reflect.ValueOf(ch),
        })
    }

    if withDefault {
        cases = append(cases, reflect.SelectCase{
            Dir:  reflect.SelectDefault,
            Chan: reflect.Value{},
            Send: reflect.Value{},
        })
    }

    return cases
}

在这个示例中，我们的createRecvCases函数增加了一个withDefault布尔型参数，当withDefault为true时，返回的cases切片中将包含一个default case。我们看到，创建defaultCase时，Chan和Send两个字段需要传入空的reflect.Value。

在消费者goroutine中，我们通过选出的case的Dir字段是否为reflect.SelectDefault来判定是否default case被选出，其余的处理逻辑不变，我们运行一下这个示例：

$go run main.go
recv from channel [8], val=8
recv from channel [8], val=8
choose the default
choose the default
choose the default
choose the default
choose the default
recv from channel [1], val=1
choose the default
choose the default
choose the default
recv from channel [3], val=3
recv from channel [6], val=6
choose the default
choose the default
recv from channel [0], val=0
choose the default
choose the default
choose the default
recv from channel [5], val=5
recv from channel [2], val=2
choose the default
choose the default
choose the default
recv from channel [2], val=2
choose the default
choose the default
recv from channel [2], val=2
choose the default
choose the default
channel [2] closed, select goroutine exit

我们看到，default case被选择的几率还是蛮大的。

最后，我们再来看看如何使用reflect包向channel中发送数据，看下面示例代码：

// github.com/bigwhite/experiments/tree/master/reflect-operate-channel/select-send/main.go

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
    "sync"
)

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(2)
    ch0, ch1, ch2 := make(chan int), make(chan int), make(chan int)
    var schs = []chan int{ch0, ch1, ch2}

    // 创建SelectCase
    var cases = createCases(schs)

    // 生产者goroutine
    go func() {
        defer wg.Done()
        for range cases {
            chosen, _, _ := reflect.Select(cases)
            fmt.Printf("send to channel [%d], val=%v\n", chosen, cases[chosen].Send)
            cases[chosen].Chan = reflect.Value{}
        }
        fmt.Println("select goroutine exit")
        return
    }()

    // 消费者goroutine
    go func() {
        defer wg.Done()
        for range schs {
            var v int
            select {
            case v = <-ch0:
                fmt.Printf("recv %d from ch0\n", v)
            case v = <-ch1:
                fmt.Printf("recv %d from ch1\n", v)
            case v = <-ch2:
                fmt.Printf("recv %d from ch2\n", v)
            }
        }
    }()

    wg.Wait()
}

func createCases(schs []chan int) []reflect.SelectCase {
    var cases []reflect.SelectCase

    // 创建send case
    for i, ch := range schs {
        n := i + 100
        cases = append(cases, reflect.SelectCase{
            Dir:  reflect.SelectSend,
            Chan: reflect.ValueOf(ch),
            Send: reflect.ValueOf(n),
        })
    }

    return cases
}

在这个示例中，我们针对三个channel：ch0，ch1和ch2创建了写操作的SelectCase，每个SelectCase的Send字段都被赋予了要发送给该channel的值，这里使用了“100+下标号”。

生产者goroutine中有一个“与众不同”的地方，那就是每次某个写操作触发后，我都将该SelectCase中的Chan重置为一个空Value，以防止下次该channel被重新选出：

    cases[chosen].Chan = reflect.Value{}

运行一下该示例，我们得到：

$go run main.go
recv 101 from ch1
send to channel [1], val=101
send to channel [0], val=100
recv 100 from ch0
recv 102 from ch2
send to channel [2], val=102
select goroutine exit

通过上面的几个例子我们看到，reflect.Select有着与select等价的语义，且还支持动态增删和修改case，功能不可为不强大，现在还剩一点要care，那就是它的执行性能如何呢？我们接着往下看。

3. reflect.Select的性能

我们用benchmark test来对比一下常规select与reflect.Select在执行性能上的差别，下面是benchmark代码：

// github.com/bigwhite/experiments/tree/master/reflect-operate-channel/select-benchmark/benchmark_test.go
package main

import (
    "reflect"
    "testing"
)

func createCases(rchs []chan int) []reflect.SelectCase {
    var cases []reflect.SelectCase

    // 创建recv case
    for _, ch := range rchs {
        cases = append(cases, reflect.SelectCase{
            Dir:  reflect.SelectRecv,
            Chan: reflect.ValueOf(ch),
        })
    }
    return cases
}

func BenchmarkSelect(b *testing.B) {
    var c1 = make(chan int)
    var c2 = make(chan int)
    var c3 = make(chan int)

    go func() {
        for {
            c1 <- 1
        }
    }()
    go func() {
        for {
            c2 <- 2
        }
    }()
    go func() {
        for {
            c3 <- 3
        }
    }()

    b.ReportAllocs()
    b.ResetTimer()
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        select {
        case <-c1:
        case <-c2:
        case <-c3:
        }
    }
}

func BenchmarkReflectSelect(b *testing.B) {
    var c1 = make(chan int)
    var c2 = make(chan int)
    var c3 = make(chan int)

    go func() {
        for {
            c1 <- 1
        }
    }()
    go func() {
        for {
            c2 <- 2
        }
    }()
    go func() {
        for {
            c3 <- 3
        }
    }()

    chs := createCases([]chan int{c1, c2, c3})

    b.ReportAllocs()
    b.ResetTimer()

    for i := 0; i < b.N; i++ {
        _, _, _ = reflect.Select(chs)
    }
}

运行一下该benchmark：

$go test -bench .
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: github.com/bigwhite/experiments/reflect-operate-channel/select-benchmark
... ...
BenchmarkSelect-8            2765396           427.8 ns/op         0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkReflectSelect-8     1839706           806.0 ns/op       112 B/op          6 allocs/op
PASS
ok      github.com/bigwhite/experiments/reflect-operate-channel/select-benchmark    3.779s

我们看到：reflect.Select的执行效率相对于select还是要差的，并且在其执行过程中还要做额外的内存分配。

4. 小结

本文介绍了reflect.Select与SelectCase的结构以及如何使用它们在不同场景下操作channel。但大多数情况下，我们是不需要使用reflect.Select，常规select语法足以满足我们的要求。并且reflect.Select有对cases数量的约束，最大支持65536个cases，虽然这个约束对于大多数场合而言足够用了。

本文涉及的示例源码可以在这里下载。

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