用 C# 实现Google Go 语言中的Channel 和 goroutine 机制

前段时间尝试了一点 Google 的 Go 语言，感觉其很多特性还是不错的。Go 语言旨在结合传统编译型的静态语言和解释型的动态语言的优点，在其中找到一个平衡。从而打造一个既快速（编译执行），又方便编程的语言（动态语言往往语法简单快捷）。同时，Go 语言还具备丰富的特性以支持并发编程，这在现在多核非常普及的情况下，是很重要和强大的一个功能。

Go 语言的并发特性主要有 goroutine, channel 等。goroutine - 可以大致理解为一种轻量级的线程（或微线程），它是一种“分配在同一个地址空间内的，能够并行执行的函数”。同时，它是轻量级的，不需要像分配线程那样分配独立的栈空间。所以理论上讲，我们可以很容易的分配很多个 goroutine, 让它们并发执行，而其开销则比多线程程序要小得多，从而可以让程序支持比较大的并发性。

channel - 顾名思义，就是通道。通道的目的是用来传递数据。在一个通道上我们可以执行数据的发送(Send)和接受(Receive)操作。对于非缓冲的 channel 而言，Receive 方法执行时，会判断该通道上是否有值，如果没有就会等待（阻塞），直到有一个值为止。同样，在 channel 上有值，而尚未被一个 Receiver 接受的时候，Send 方法也会阻塞，直到 Channel 变空。这样，通过一个简单的机制就可以保证 Send 和 Receive 总是在不同的时间执行的，而且只有 Send 之后才能 Receive. 这样就避免了常规的多线程编程中数据共享的问题。正如 Go 语言的文档一句话所说：

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

不要通过共享内存来沟通；而是通过沟通来共享内存。

在常规的多线程编程里，我们总是定义好一些类变量，如果这些变量有可能被多个线程同时访问，那么就需要加锁。这样带来了一定的编程复杂性，如果代码写的稍有bug，则会导致读/写到错误的值。

而通过 channel 来沟通，我们得到了一个更为清晰的沟通方式。两个线程（或者 goroutine）要读写相同的数据，则创建一个通道，双方通过对这个通道执行 Send / Receive 的操作来设值或取值即可，相对而言，比较不容易出错。

为了更好的理解这个原理，我尝试了在 C# 中实现类似的功能。

相对于 goroutine, 我没有去实现微线程，因为这需要更复杂的调度机制（打算接下来进一步研究这方面）。我们可以暂时利用 Thread 来简单的模拟之。

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

首先让我们来实现一个简单的 Channel，思想上面已经说过了：

view sourceprint?01 /// <summary>

02 /// 先实现简单的没有缓冲的 Channel.

03 /// </summary>

04 /// <typeparam name="T"></typeparam>

05 public class Channel<T>

06 {

07 T _value;

08

09 // 开始不能 Receive.

10 Semaphore _canReceive = new Semaphore(0, 1);

11

12 // 开始没有值，可以 Send

13 Semaphore _canSend = new Semaphore(1, 1);

14

15 public T Receive()

16 {

17 // 等待有值

18 _canReceive.WaitOne();

19

20 T value = _value;

21

22 // 通知可以发送新的值了

23 _canSend.Release();

24

25 return value;

26 }

27

28 public void Send(T value)

29 {

30 // 如果是非缓冲的情况，则为阻塞式的，需要等待已有的值被一个 Receiver 接受完，

31 // 才能发送新值，不能连续 Send

32 _canSend.WaitOne();

33 _value = value;

34

35 // 通知可以接收了

36 _canReceive.Release();

37 }

38 }

接下来粗略的模拟实现 goroutine 的语法：

view sourceprint?01 public static class GoLang

02 {

03 /// <summary>

04 /// 先简单的用线程来模拟 goroutine. 因为使用 channel 通信，所以

05 /// 不需考虑线程之间的数据共享/同步问题

06 /// </summary>

07 /// <param name="action"></param>

08 public static void go(Action action)

09 {

10 new Thread(new ThreadStart(action)).Start();

11 }

12

13 }

有了这些，我们可以写一个 test case 来验证了。下面的代码简单的创建一个并发的 routine，分别做整数的 send, receive 操作，以验证是否能正确的发送和接受值：

view sourceprint?01 /// <summary>

02 /// 测试多个 Sender 多个 Receiver 同时在一个 channel 上发送/接受消息

03 /// </summary>

04 private static void Test1()

05 {

06 var ch = new Channel<int>();

07

08 // 启动多个 Sender

09 GoLang.go(() =>

10 {

11 var id = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;

12 for (var i = 0; i < 7; i++)

13 {

14 Thread.Sleep(new Random((int)DateTime.Now.Ticks).Next(3000));

15 Console.WriteLine("线程{0}发送值: {1}", id, i);

16 ch.Send(i);

17 }

18 });

19

20 GoLang.go(() =>

21 {

22 var id = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;

23 for (var i = 7; i < 15; i++)

24 {

25 Thread.Sleep(new Random((int)DateTime.Now.Ticks).Next(3000));

26 Console.WriteLine("线程{0}发送值: {1}", id, i);

27 ch.Send(i);

28 }

29 });

30

31 // 启动多个 Receiver

32 GoLang.go(() =>

33 {

34 var id = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;

35 for (var i = 0; i < 5; i++)

36 {

37 //Console.WriteLine("线程{0}阻塞", id);

38 var value = ch.Receive();

39 Console.WriteLine("线程{0}获得值: {1}", id, value);

40 }

41 });

42

43 GoLang.go(() =>

44 {

45 var id = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;

46 for (var i = 0; i < 5; i++)

47 {

48 //Console.WriteLine("线程{0}阻塞", id);

49 var value = ch.Receive();

50 Console.WriteLine("线程{0}获得值: {1}", id, value);

51 }

52 });

53

54 GoLang.go(() =>

55 {

56 var id = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;

57 for (var i = 0; i < 5; i++)

58 {

59 //Console.WriteLine("线程{0}阻塞", id);

60 var value = ch.Receive();

61 Console.WriteLine("线程{0}获得值: {1}", id, value);

62 }

63 });

64 }

再尝试实现一下 Go 语言文档里举出的一个例子 - 筛法求素数：

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

view sourceprint?01 public class PrimeNumbers

02 {

03 public void Main()

04 {

05 var primes = Sieve();

06

07 // 测试：打印前100个素数

08 for (var i = 0; i < 100; i++)

09 {

10 Console.WriteLine(primes.Receive());

11 }

12 }

13

14 /// <summary>

15 /// 筛法求素数

16 /// </summary>

17 /// <returns></returns>

18 Channel<int> Sieve()

19 {

20 var @out = new Channel<int>();

21 GoLang.go(() =>

22 {

23 var ch = Generate();

24 for (; ; )

25 {

26 // 当前序列中的第一个值总是素数

27 var prime = ch.Receive();

28

29 // 将其发送到输出序列的尾部

30 @out.Send(prime);

31

32 // 用这个素数对列表进行过滤，在进入下一次循环，可以保证至少第一个数是素数

33 ch = Filter(ch, prime);

34 }

35 });

36 return @out;

37 }

38

39 /// <summary>

40 /// 产生从2开始的自然数的无穷序列，这是原始数列

41 /// 其开始元素 2 是一个素数。

42 /// </summary>

43 /// <returns></returns>

44 Channel<int> Generate()

45 {

46 var ch = new Channel<int>();

47 GoLang.go(() =>

48 {

49 for (var i = 2; ; i++)

50 {

51 ch.Send(i);

52 }

53 });

54 return ch;

55 }

56

57 /// <summary>

58 /// 从输入 channel 里逐个读取值，将不能被 prime 整除

59 /// 的那些发送到输出 channel （即用 prime 对 @in 序列进行一次筛选）

60 /// </summary>

61 Channel<int> Filter(Channel<int> @in, int prime)

62 {

63 var @out = new Channel<int>();

64 GoLang.go(() =>

65 {

66 for (; ; )

67 {

68 var i = @in.Receive();

69 if (i % prime != 0)

70 {

71 @out.Send(i);

72 }

73 }

74 });

75 return @out;

76 }

77 }

下面是整个测试工程的 Main 方法：

view sourceprint?01 class Program

02 {

03 static void Main(string[] args)

04 {

05 Test1();

06

07 new PrimeNumbers().Main();

08

09 Console.ReadLine();

10 }

11 }

因为代码中已经详细注释了，不多做解释。可以看到，利用 Channel 的概念（好像和 Reactive Programming 有点关系？），我们可以更清晰的构建多线程或者并发的应用程序。

学习其他语言，并不是为了学习其特定的语法，而是学习一种思想。