Go语言实战案例:使用channel实现生产者消费者模型

本文是「Go语言100个实战案例 · 网络与并发篇」系列第4篇,带你通过一个实战案例掌握 Channel 的用法,并用它优雅地实现经典并发模式:生产者-消费者模型。


一、前言

在并发编程中,生产者-消费者模型是最基础、最常见的通信模式之一。它广泛应用于日志系统、任务队列、消息传递、数据流管道等场景。

Go 语言对并发编程的支持非常强大,其中最具代表性的就是 Channel ------ 一种内置的通信机制,用于在多个 Goroutine 之间安全地传递数据

"Don't communicate by sharing memory; share memory by communicating." ------ Go 编程哲学


二、目标说明

我们将实现一个完整的生产者-消费者模型,包含以下要点:

  • • 使用 Channel 作为通信桥梁
  • • 多个生产者并发生成任务
  • • 多个消费者并发处理任务
  • • 正确关闭 Channel,防止阻塞或 panic
  • • 可配置的任务数量和生产者/消费者数量

三、生产者消费者模型图解

diff 复制代码
+-------------+             +-------------+
|  Producer 1 |             | Consumer 1  |
+-------------+             +-------------+
        │                         │
+-------------+         +------------------+
|  Producer N |──────▶  |     Channel      | ────▶ Consumer M ...
+-------------+         +------------------+

四、完整代码实现

go 复制代码
package main

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

// 任务结构体
type Task struct {
    ID    int
    Value int
}

// 生产者函数
func producer(id int, taskCh chan<- Task, wg *sync.WaitGroup, count int) {
    defer wg.Done()
    for i := 0; i < count; i++ {
        task := Task{
            ID:    id*1000 + i,
            Value: rand.Intn(100),
        }
        fmt.Printf("[生产者-%d] 生产任务:%v\n", id, task)
        taskCh <- task
        time.Sleep(time.Millisecond * time.Duration(rand.Intn(300)))
    }
}

// 消费者函数
func consumer(id int, taskCh <-chan Task, wg *sync.WaitGroup) {
    defer wg.Done()
    for task := range taskCh {
        fmt.Printf("----[消费者-%d] 消费任务:%v\n", id, task)
        time.Sleep(time.Millisecond * time.Duration(rand.Intn(500)))
    }
    fmt.Printf("----[消费者-%d] 任务完成,退出\n", id)
}

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

    taskCh := make(chan Task, 10) // 带缓冲的通道

    producerCount := 3
    consumerCount := 2
    tasksPerProducer := 5

    var wgProducers sync.WaitGroup
    var wgConsumers sync.WaitGroup

    // 启动消费者
    for i := 1; i <= consumerCount; i++ {
        wgConsumers.Add(1)
        go consumer(i, taskCh, &wgConsumers)
    }

    // 启动生产者
    for i := 1; i <= producerCount; i++ {
        wgProducers.Add(1)
        go producer(i, taskCh, &wgProducers, tasksPerProducer)
    }

    // 等所有生产者完成后关闭通道
    go func() {
        wgProducers.Wait()
        close(taskCh)
    }()

    // 等待所有消费者完成
    wgConsumers.Wait()

    fmt.Println("所有任务已处理完毕。程序退出。")
}

五、运行效果示例

运行结果(部分):

css 复制代码
[生产者-1] 生产任务:{1000 84}
----[消费者-1] 消费任务:{1000 84}
[生产者-2] 生产任务:{2000 56}
[生产者-3] 生产任务:{3000 21}
----[消费者-2] 消费任务:{2000 56}
----[消费者-1] 消费任务:{3000 21}
...
----[消费者-1] 任务完成,退出
----[消费者-2] 任务完成,退出
所有任务已处理完毕。程序退出。

六、关键知识点讲解

1. chan Task

Channel 是 Go 提供的安全通信机制,可用于传递任何类型的数据。在本例中,我们使用 chan Task 来传递结构体任务。

2. chan<-<-chan

  • chan<- Task:只写通道,生产者用
  • <-chan Task:只读通道,消费者用
    这是一个非常好的习惯,有助于在编译期限制错误。

3. close(chan)

通道关闭后,消费者仍然可以继续读取未消费的数据。一旦通道为空,读取操作会返回零值并终止迭代。

4. sync.WaitGroup

用于等待多个生产者/消费者完成,是并发控制中非常重要的同步工具。


七、常见错误和注意事项

问题描述 正确做法
向关闭的通道写入会 panic 生产者完成后再关闭通道,不能提前
读通道未关闭,程序阻塞 主程序需要关闭通道以让 range 退出
使用无缓冲通道导致性能瓶颈 推荐使用缓冲通道,避免 goroutine 阻塞太多
竞争条件导致数据错乱 Channel 可以有效避免锁竞争,推荐使用

八、适用场景扩展

  • • 日志采集与异步写入(生产日志,消费写磁盘)
  • • 网络爬虫任务调度(种子生产与页面处理)
  • • 并发图像/视频转码任务
  • • 实时监控告警系统(采集 → 分析 → 通知)

九、总结

在本篇文章中,我们通过 Go 的 Channel 构建了一个完整的生产者-消费者模型。你学会了:

✅ 如何创建 Channel 并传递任务

✅ 如何并发运行多个生产者和消费者

✅ 如何正确关闭通道并防止 panic

✅ 如何通过 WaitGroup 同步主线程生命周期

这正是 Go 并发编程哲学的真实体现:通过通信来共享内存,而不是通过共享内存来通信


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