08 - 如何优雅地关闭 channel

关于 channel 的使用，有几点不方便的地方：

在不改变 channel 自身状态的情况下，无法获知一个 channel 是否关闭。
关闭一个 closed channel 会导致 panic。所以，如果关闭 channel 的一方在不知道 channel 是否处于关闭状态时就去贸然关闭 channel 是很危险的事情。
向一个 closed channel 发送数据会导致 panic。所以，如果向 channel 发送数据的一方不知道 channel 是否处于关闭状态时就去贸然向 channel 发送数据是很危险的事情。

一个比较粗糙的检查 channel 是否关闭的函数：

func IsClosed(ch <-chan T) bool {
    select {
    case <-ch:
        return true
    default:
    }

    return false
}

func main() {
    c := make(chan T)
    fmt.Println(IsClosed(c)) // false
    close(c)
    fmt.Println(IsClosed(c)) // true
}

看一下代码，其实存在很多问题。首先，IsClosed 函数是一个有副作用的函数。每调用一次，都会读出 channel 里的一个元素，改变了 channel 的状态。这不是一个好的函数，干活就干活，还顺手牵羊！

其次，IsClosed 函数返回的结果仅代表调用那个瞬间，并不能保证调用之后会不会有其他 goroutine 对它进行了一些操作，改变了它的这种状态。例如，IsClosed 函数返回 true，但这时有另一个 goroutine 关闭了 channel，而你还拿着这个过时的 “channel 未关闭”的信息，向其发送数据，就会导致 panic 的发生。当然，一个 channel 不会被重复关闭两次，如果 IsClosed 函数返回的结果是 true，说明 channel 是真的关闭了。

有一条广泛流传的关闭 channel 的原则：

don't close a channel from the receiver side and don't close a channel if the channel has multiple concurrent senders.

不要从一个 receiver 侧关闭 channel，也不要在有多个 sender 时，关闭 channel。

比较好理解，向 channel 发送元素的就是 sender，因此 sender 可以决定何时不发送数据，并且关闭 channel。但是如果有多个 sender，某个 sender 同样没法确定其他 sender 的情况，这时也不能贸然关闭 channel。

但是上面所说的并不是最本质的，最本质的原则就只有一条：

don't close (or send values to) closed channels.

有两个不那么优雅地关闭 channel 的方法：

使用 defer-recover 机制，放心大胆地关闭 channel 或者向 channel 发送数据。即使发生了 panic，有 defer-recover 在兜底。
使用 sync.Once 来保证只关闭一次。

那到底应该如何优雅地关闭 channel？

根据 sender 和 receiver 的个数，分下面几种情况：

一个 sender，一个 receiver
一个 sender， M 个 receiver
N 个 sender，一个 reciver
N 个 sender， M 个 receiver

对于 1，2，只有一个 sender 的情况就不用说了，直接从 sender 端关闭就好了，没有问题。重点关注第 3，4 种情况。

第 3 种情形下，优雅关闭 channel 的方法是：the only receiver says "please stop sending more" by closing an additional signal channel。

解决方案就是增加一个传递关闭信号的 channel，receiver 通过信号 channel 下达关闭数据 channel 指令。senders 监听到关闭信号后，停止接收数据。代码如下：

func main() {
    rand.Seed(time.Now().UnixNano())

    const Max = 100000
    const NumSenders = 1000

    dataCh := make(chan int, 100)
    stopCh := make(chan struct{})

    // senders
    for i := 0; i < NumSenders; i++ {
        go func() {
            for {
                select {
                case <- stopCh:
                    return
                case dataCh <- rand.Intn(Max):
                }
            }
        }()
    }

    // the receiver
    go func() {
        for value := range dataCh {
            if value == Max-1 {
                fmt.Println("send stop signal to senders.")
                close(stopCh)
                return
            }

            fmt.Println(value)
        }
    }()

    select {
    case <- time.After(time.Hour):
    }
}

这里的 stopCh 就是信号 channel，它本身只有一个 sender，因此可以直接关闭它。senders 收到了关闭信号后，select 分支 “case <- stopCh” 被选中，退出函数，不再发送数据。

需要说明的是，上面的代码并没有明确关闭 dataCh。在 Go 语言中，对于一个 channel，如果最终没有任何 goroutine 引用它，不管 channel 有没有被关闭，最终都会被 gc 回收。所以，在这种情形下，所谓的优雅地关闭 channel 就是不关闭 channel，让 gc 代劳。

最后一种情况，优雅关闭 channel 的方法是：any one of them says "let's end the game" by notifying a moderator to close an additional signal channel。

和第 3 种情况不同，这里有 M 个 receiver，如果直接还是采取第 3 种解决方案，由 receiver 直接关闭 stopCh 的话，就会重复关闭一个 channel，导致 panic。因此需要增加一个中间人，M 个 receiver 都向它发送关闭 dataCh 的“请求”，中间人收到第一个请求后，就会直接下达关闭 dataCh 的指令（通过关闭 stopCh，这时就不会发生重复关闭的情况，因为 stopCh 的发送方只有中间人一个）。另外，这里的 N 个 sender 也可以向中间人发送关闭 dataCh 的请求。

func main() {
    rand.Seed(time.Now().UnixNano())

    const Max = 100000
    const NumReceivers = 10
    const NumSenders = 1000

    dataCh := make(chan int, 100)
    stopCh := make(chan struct{})

    // It must be a buffered channel.
    toStop := make(chan string, 1)

    var stoppedBy string

    // moderator
    go func() {
        stoppedBy = <-toStop
        close(stopCh)
    }()

    // senders
    for i := 0; i < NumSenders; i++ {
        go func(id string) {
            for {
                value := rand.Intn(Max)
                if value == 0 {
                    select {
                    case toStop <- "sender#" + id:
                    default:
                    }
                    return
                }

                select {
                case <- stopCh:
                    return
                case dataCh <- value:
                }
            }
        }(strconv.Itoa(i))
    }

    // receivers
    for i := 0; i < NumReceivers; i++ {
        go func(id string) {
            for {
                select {
                case <- stopCh:
                    return
                case value := <-dataCh:
                    if value == Max-1 {
                        select {
                        case toStop <- "receiver#" + id:
                        default:
                        }
                        return
                    }

                    fmt.Println(value)
                }
            }
        }(strconv.Itoa(i))
    }

    select {
    case <- time.After(time.Hour):
    }

}

代码里 toStop 就是中间人的角色，使用它来接收 senders 和 receivers 发送过来的关闭 dataCh 请求。

这里将 toStop 声明成了一个缓冲型的 channel。假设 toStop 声明的是一个非缓冲型的 channel，那么第一个发送的关闭 dataCh 请求可能会丢失。因为无论是 sender 还是 receiver 都是通过 select 语句来发送请求，如果中间人所在的 goroutine 没有准备好，那 select 语句就不会选中，直接走 default 选项，什么也不做。这样，第一个关闭 dataCh 的请求就会丢失。

如果，我们把 toStop 的容量声明成 Num(senders) + Num(receivers)，那发送 dataCh 请求的部分可以改成更简洁的形式：

...
toStop := make(chan string, NumReceivers + NumSenders)
...
            value := rand.Intn(Max)
            if value == 0 {
                toStop <- "sender#" + id
                return
            }
...
                if value == Max-1 {
                    toStop <- "receiver#" + id
                    return
                }
...

直接向 toStop 发送请求，因为 toStop 容量足够大，所以不用担心阻塞，自然也就不用 select 语句再加一个 default case 来避免阻塞。

可以看到，这里同样没有真正关闭 dataCh，原样同第 3 种情况。

以上，就是最基本的一些情形，但已经能覆盖几乎所有的情况及其变种了。只要记住：

don't close a channel from the receiver side and don't close a channel if the channel has multiple concurrent senders.

以及更本质的原则：

don't close (or send values to) closed channels.

参考资料

https://go101.org/article/channel-closing.html

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