手把手教姐姐写消息队列（golang-channel实现）

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asong
    阅读 9 分钟
    3

    前言

    这周姐姐入职了新公司，老板想探探他的底，看了一眼他的简历，呦呵，精通kafka，这小姑娘有两下子，既然这样，那你写一个消息队列吧。因为要用go语言写，这可给姐姐愁坏了。赶紧来求助我，我这么坚贞不屈一人，在姐姐的软磨硬泡下还是答应他了，所以接下来我就手把手教姐姐怎么写一个消息队列。下面我们就来看一看我是怎么写的吧～～～。

    本代码已上传到我的github：

    有需要的小伙伴，可自行下载，顺便给个小星星吧～～～

    什么是消息队列

    姐姐真是把我愁坏了，自己写的精通kafka，竟然不知道什么是消息队列，于是，一向好脾气的我开始给姐姐讲一讲什么是消息队列。

    消息队列，我们一般称它为MQ（Message Queue），两个单词的结合，这两个英文单词想必大家都应该知道吧，其实最熟悉的还是Queue吧，即队列。队列是一种先进先出的数据结构，队列的使用还是比较普遍的，但是已经有队列了，怎么还需要MQ呢？

    我：问你呢，姐姐，知道吗？为什么还需要MQ？

    姐姐：快点讲，想挨打呀？

    我：噗。。。 算我多嘴，哼～～～

    欠欠的我开始了接下来的耐心讲解......

    举一个简单的例子，假设现在我们要做一个系统，该登陆系统需要在用户登陆成功后，发送封邮件到用户邮箱进行提醒，需求还是很简单的，我们先开看一看没有MQ，我们该怎么实现呢？画一个时序图来看一看：

    image

    看这个图，邮件发送在请求登陆时进行，当密码验证成功后，就发送邮件，然后返回登陆成功。这样是可以的，但是他是有缺陷的。这让我们的登陆操作变得复杂了，每次请求登陆都需要进行邮件发送，如果这里出现错误，整个登陆请求也出现了错误，导致登陆不成功；还有一个问题，本来我们登陆请求调用接口仅仅需要100ms，因为中间要做一次发送邮件的等待，那么调用一次登陆接口的时间就要增长，这就是问题所在，一封邮件他的优先级 不是很高的，用户也不需要实时收到这封邮件，所以这时，就体现了消息队列的重要性了，我们用消息队列进行改进一下。

    image

    这里我们将发送邮件请求放到Mq中，这样我们就能提高用户体验的吞吐量，这个很重要，顾客就是上帝嘛，毕竟也没有人喜欢用一个很慢很慢的app。

    这里只是举了MQ众多应用中的其中一个，即异步应用，MQ还在系统解藕、削峰/限流中有着重要应用，这两个我就不具体讲解了，原理都一样，好好思考一下，你们都能懂得。

    channel

    好啦，姐姐终于知道什么是消息队列了，但是现在还是没法进行消息队列开发的，因为还差一个知识点，即go语言中的channel。这个很重要，我们还需要靠这个来开发我们的消息队列呢。

    因篇幅有限，这里不详细介绍channel，只介绍基本使用方法。

    什么是channel

    Goroutine 和 Channel 是 Go 语言并发编程的两大基石。Goroutine 用于执行并发任务，Channel 用于 goroutine 之间的同步、通信。Go提倡使用通信的方法代替共享内存，当一个Goroutine需要和其他Goroutine资源共享时，Channel就会在他们之间架起一座桥梁，并提供确保安全同步的机制。channel本质上其实还是一个队列，遵循FIFO原则。具体规则如下：

    • 先从 Channel 读取数据的 Goroutine 会先接收到数据；
    • 先向 Channel 发送数据的 Goroutine 会得到先发送数据的权利；

    创建通道

    创建通道需要用到关键字 make ，格式如下：

    通道实例 := make(chan 数据类型)
    • 数据类型：通道内传输的元素类型。
    • 通道实例：通过make创建的通道句柄。

    无缓冲通道的使用

    Go语言中无缓冲的通道（unbuffered channel）是指在接收前没有能力保存任何值的通道。这种类型的通道要求发送 goroutine 和接收 goroutine 同时准备好，才能完成发送和接收操作。

    无缓冲通道的定义方式如下：

    通道实例 := make(chan 通道类型)
    • 通道类型：和无缓冲通道用法一致，影响通道发送和接收的数据类型。
    • 缓冲大小：0
    • 通道实例：被创建出的通道实例。

    写个例子来帮助大家理解一下吧：

    package main
import (
    "sync"
    "time"
)
func main() {
    c := make(chan string)
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(2)
    go func() {
        defer wg.Done()
        c <- `Golang梦工厂`
    }()
    go func() {
        defer wg.Done()
        time.Sleep(time.Second * 1)
        println(`Message: `+ <-c)
    }()
    wg.Wait()
}

    带缓冲的通道的使用

    Go语言中有缓冲的通道（buffered channel）是一种在被接收前能存储一个或者多个值的通道。这种类型的通道并不强制要求 goroutine 之间必须同时完成发送和接收。通道会阻塞发送和接收动作的条件也会不同。只有在通道中没有要接收的值时，接收动作才会阻塞。只有在通道没有可用缓冲区容纳被发送的值时，发送动作才会阻塞。

    有缓冲通道的定义方式如下：

    通道实例 := make(chan 通道类型, 缓冲大小)
    • 通道类型：和无缓冲通道用法一致，影响通道发送和接收的数据类型。
    • 缓冲大小：决定通道最多可以保存的元素数量。
    • 通道实例：被创建出的通道实例。

    来写一个例子讲解一下：

    package main
import (
    "sync"
    "time"
)
func main() {
    c := make(chan string, 2)
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(2)
    go func() {
        defer wg.Done()
        c <- `Golang梦工厂`
        c <- `asong`
    }()
    go func() {
        defer wg.Done()
        time.Sleep(time.Second * 1)
        println(`公众号: `+ <-c)
        println(`作者: `+ <-c)
    }()
    wg.Wait()
}

    好啦，通道的概念就介绍到这里了，如果需要，下一篇我出一个channel详细讲解的文章。

    消息队列编码实现

    准备篇

    终于开始进入主题了，姐姐都听的快要睡着了，我轰隆一嗓子，立马精神，但是呢，asong也是挨了一顿小电炮，代价惨痛呀，呜呜呜............

    在开始编写代码编写直接，我需要构思我们的整个代码架构，这才是正确的编码方式。我们先来定义一个接口，把我们需要实现的方法先列出来，后期对每一个代码进行实现就可以了。因此可以列出如下方法：

    type Broker interface {
 publish(topic string, msg interface{}) error
 subscribe(topic string) (<-chan interface{}, error)
 unsubscribe(topic string, sub <-chan interface{}) error
 close()
 broadcast(msg interface{}, subscribers []chan interface{})
 setConditions(capacity int)
}
    • publish：进行消息的推送，有两个参数即topic、msg，分别是订阅的主题、要传递的消息
    • subscribe：消息的订阅，传入订阅的主题，即可完成订阅，并返回对应的channel通道用来接收数据
    • unsubscribe：取消订阅，传入订阅的主题和对应的通道
    • close：这个的作用就是很明显了，就是用来关闭消息队列的
    • broadCast：这个属于内部方法，作用是进行广播，对推送的消息进行广播，保证每一个订阅者都可以收到
    • setConditions：这里是用来设置条件，条件就是消息队列的容量，这样我们就可以控制消息队列的大小了

    细心的你们有没有发现什么问题，这些代码我都定义的是内部方法，也就是包外不可用。为什么这么做呢，因为这里属于代理要做的事情，我们还需要在封装一层，也就是客户端能直接调用的方法，这样才符合软件架构。因此可以写出如下代码：

    package mq
type Client struct {
 bro *BrokerImpl
}
func NewClient() *Client {
 return &Client{
  bro: NewBroker(),
 }
}
func (c *Client)SetConditions(capacity int)  {
 c.bro.setConditions(capacity)
}
func (c *Client)Publish(topic string, msg interface{}) error{
 return c.bro.publish(topic,msg)
}
func (c *Client)Subscribe(topic string) (<-chan interface{}, error){
 return c.bro.subscribe(topic)
}
func (c *Client)Unsubscribe(topic string, sub <-chan interface{}) error {
 return c.bro.unsubscribe(topic,sub)
}
func (c *Client)Close()  {
  c.bro.close()
}
func (c *Client)GetPayLoad(sub <-chan interface{})  interface{}{
 for val:= range sub{
  if val != nil{
   return val
  }
 }
 return nil
}

    上面只是准好了代码结构，但是消息队列实现的结构我们还没有设计，现在我们就来设计一下。

    type BrokerImpl struct {
 exit chan bool
 capacity int
 topics map[string][]chan interface{} // key： topic  value ： queue
 sync.RWMutex // 同步锁
}
    • exit：也是一个通道，这个用来做关闭消息队列用的
    • capacity：即用来设置消息队列的容量
    • topics：这里使用一个map结构，key即是topic，其值则是一个切片，chan类型，这里这么做的原因是我们一个topic可以有多个订阅者，所以一个订阅者对应着一个通道
    • sync.RWMutex：读写锁，这里是为了防止并发情况下，数据的推送出现错误，所以采用加锁的方式进行保证

    好啦，现在我们已经准备的很充分啦，开始接下来方法填充之旅吧～～～

    Publish和broadcast

    这里两个合在一起讲的原因是braodcast是属于publish里的。这里的思路很简单，我们只需要把传入的数据进行广播即可了，下面我们来看代码实现：

    func (b *BrokerImpl) publish(topic string, pub interface{}) error {
 select {
 case <-b.exit:
  return errors.New("broker closed")
 default:
 }
 b.RLock()
 subscribers, ok := b.topics[topic]
 b.RUnlock()
 if !ok {
  return nil
 }
 b.broadcast(pub, subscribers)
 return nil
}
func (b *BrokerImpl) broadcast(msg interface{}, subscribers []chan interface{}) {
 count := len(subscribers)
 concurrency := 1
 switch {
 case count > 1000:
  concurrency = 3
 case count > 100:
  concurrency = 2
 default:
  concurrency = 1
 }
 pub := func(start int) {
  for j := start; j < count; j += concurrency {
   select {
   case subscribers[j] <- msg:
   case <-time.After(time.Millisecond * 5):
   case <-b.exit:
    return
   }
  }
 }
 for i := 0; i < concurrency; i++ {
  go pub(i)
 }
}

    publish方法中没有什么好讲的，这里主要说一下broadcast的实现：

    这里主要对数据进行广播，所以数据推送出去就可以了，没必要一直等着他推送成功，所以这里我们我们采用goroutine。在推送的时候，当推送失败时，我们也不能一直等待呀，所以这里我们加了一个超时机制，超过5毫秒就停止推送，接着进行下面的推送。

    可能你们会有疑惑，上面怎么还有一个switch选项呀，干什么用的呢？考虑这样一个问题，当有大量的订阅者时，，比如10000个，我们一个for循环去做消息的推送，那推送一次就会耗费很多时间，并且不同的消费者之间也会产生延时，，所以采用这种方法进行分解可以降低一定的时间。

    subscribe 和 unsubScribe

    我们先来看代码：

    func (b *BrokerImpl) subscribe(topic string) (<-chan interface{}, error) {
 select {
 case <-b.exit:
  return nil, errors.New("broker closed")
 default:
 }
 ch := make(chan interface{}, b.capacity)
 b.Lock()
 b.topics[topic] = append(b.topics[topic], ch)
 b.Unlock()
 return ch, nil
}
func (b *BrokerImpl) unsubscribe(topic string, sub <-chan interface{}) error {
 select {
 case <-b.exit:
  return errors.New("broker closed")
 default:
 }
 b.RLock()
 subscribers, ok := b.topics[topic]
 b.RUnlock()
 if !ok {
  return nil
 }
 // delete subscriber
 var newSubs []chan interface{}
 for _, subscriber := range subscribers {
  if subscriber == sub {
   continue
  }
  newSubs = append(newSubs, subscriber)
 }
 b.Lock()
 b.topics[topic] = newSubs
 b.Unlock()
 return nil
}

    这里其实就很简单了：

    • subscribe：这里的实现则是为订阅的主题创建一个channel，然后将订阅者加入到对应的topic中就可以了，并且返回一个接收channel。
    • unsubScribe：这里实现的思路就是将我们刚才添加的channel删除就可以了。

    close

    func (b *BrokerImpl) close()  {
 select {
 case <-b.exit:
  return
 default:
  close(b.exit)
  b.Lock()
  b.topics = make(map[string][]chan interface{})
  b.Unlock()
 }
 return
}

    这里就是为了关闭整个消息队列，这句代码b.topics = make(map[string][]chan interface{})比较重要，这里主要是为了保证下一次使用该消息队列不发生冲突。

    setConditions GetPayLoad

    还差最后两个方法，一个是设置我们的消息队列容量，另一个是封装一个方法来获取我们订阅的消息：

    func (b *BrokerImpl)setConditions(capacity int)  {
 b.capacity = capacity
}
func (c *Client)GetPayLoad(sub <-chan interface{})  interface{}{
 for val:= range sub{
  if val != nil{
   return val
  }
 }
 return nil
}

    测试

    好啦，代码这么快就被写完了，接下来我们进行测试一下吧。

    单元测试

    正式测试之前，我们还是需要先进行一下单元测试，养成好的习惯，只有先自测了，才能有底气说我的代码没问题，要不直接跑程序，会出现很多bug的。

    这里我们测试方法如下：我们向不同的topic发送不同的信息，当订阅者收到消息后，就行取消订阅。

    func TestClient(t *testing.T) {
 b := NewClient()
 b.SetConditions(100)
 var wg sync.WaitGroup
 for i := 0; i < 100; i++ {
  topic := fmt.Sprintf("Golang梦工厂%d", i)
  payload := fmt.Sprintf("asong%d", i)
  ch, err := b.Subscribe(topic)
  if err != nil {
   t.Fatal(err)
  }
  wg.Add(1)
  go func() {
   e := b.GetPayLoad(ch)
   if e != payload {
    t.Fatalf("%s expected %s but get %s", topic, payload, e)
   }
   if err := b.Unsubscribe(topic, ch); err != nil {
    t.Fatal(err)
   }
   wg.Done()
  }()
  if err := b.Publish(topic, payload); err != nil {
   t.Fatal(err)
  }
 }
 wg.Wait()
}

    测试通过，没问题，接下来我们在写几个方法测试一下

    测试

    这里分为两种方式测试

    测试一：使用一个定时器，向一个主题定时推送消息.

    // 一个topic 测试
func OnceTopic()  {
 m := mq.NewClient()
 m.SetConditions(10)
 ch,err :=m.Subscribe(topic)
 if err != nil{
  fmt.Println("subscribe failed")
  return
 }
 go OncePub(m)
 OnceSub(ch,m)
 defer m.Close()
}
// 定时推送
func OncePub(c *mq.Client)  {
 t := time.NewTicker(10 * time.Second)
 defer t.Stop()
 for  {
  select {
  case <- t.C:
   err := c.Publish(topic,"asong真帅")
   if err != nil{
    fmt.Println("pub message failed")
   }
  default:
  }
 }
}
// 接受订阅消息
func OnceSub(m <-chan interface{},c *mq.Client)  {
 for  {
  val := c.GetPayLoad(m)
  fmt.Printf("get message is %sn",val)
 }
}

    测试二：使用一个定时器，定时向多个主题发送消息：

    //多个topic测试
func ManyTopic()  {
 m := mq.NewClient()
 defer m.Close()
 m.SetConditions(10)
 top := ""
 for i:=0;i<10;i++{
  top = fmt.Sprintf("Golang梦工厂_%02d",i)
  go Sub(m,top)
 }
 ManyPub(m)
}
func ManyPub(c *mq.Client)  {
 t := time.NewTicker(10 * time.Second)
 defer t.Stop()
 for  {
  select {
  case <- t.C:
   for i:= 0;i<10;i++{
    //多个topic 推送不同的消息
    top := fmt.Sprintf("Golang梦工厂_%02d",i)
    payload := fmt.Sprintf("asong真帅_%02d",i)
    err := c.Publish(top,payload)
    if err != nil{
     fmt.Println("pub message failed")
    }
   }
  default:
  }
 }
}
func Sub(c *mq.Client,top string)  {
 ch,err := c.Subscribe(top)
 if err != nil{
  fmt.Printf("sub top:%s failedn",top)
 }
 for  {
  val := c.GetPayLoad(ch)
  if val != nil{
   fmt.Printf("%s get message is %sn",top,val)
  }
 }
}

    总结

    终于帮助姐姐解决了这个问题，姐姐开心死了，给我一顿亲，啊不对，是一顿夸，夸的人家都不好意思了。

    这一篇你学会了吗？没学会不要紧，赶快去把源代码下载下来，好好通读一下，很好理解的～～～。

    其实这一篇是为了接下来的kafka学习打基础的，学好了这一篇，接下来学习的kafka就会容易很多啦～～～

    github地址：https://github.com/asong2020/...

    如果能给一个小星星就好了～～～

    结尾给大家发一个小福利吧，最近我在看[微服务架构设计模式]这一本书，讲的很好，自己也收集了一本PDF，有需要的小伙可以到自行下载。获取方式：关注公众号：[Golang梦工厂]，后台回复：[微服务]，即可获取。

    我翻译了一份GIN中文文档，会定期进行维护，有需要的小伙伴后台回复[gin]即可下载。

    我是asong，一名普普通通的程序猿，让我一起慢慢变强吧。我自己建了一个golang交流群，有需要的小伙伴加我vx,我拉你入群。欢迎各位的关注，我们下期见~~~

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    go消息队列channel
    asong
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