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模拟兔子的一天：浅聊Go协程

前言

第一次尝试这种写作风格，希望大家喜欢，不足之处请多多指教

不想看故事部分的小伙伴可以点击文章目录进行跳转

一则小故事

在新年的前一天，一只小兔子决定在家里为大家准备一些新春美食。他想着，他可以利用计算机来帮助他完成菜谱的制作。

于是，小兔子打开了他的电脑，然后使用他最喜欢的编程语言——Golang。他开始写程序，希望能够在短时间内完成任务。

在编写程序的过程中，小兔子发现他需要同时处理多个任务。于是，他决定使用进程来帮助他完成这些任务。

进程是指在计算机中执行的一个程序，它可以独立运行并且拥有自己的内存空间。小兔子使用了多个进程来完成任务，这使得他的程序能够高效地运行。

然而，小兔子发现有些任务需要经常在进程之间切换，这使得程序的执行效率降低了。于是，他决定使用线程来帮助他提高程序的执行效率。

线程是指在进程内执行的一个执行流，它可以与其他线程并发执行。小兔子使用了多个线程来完成任务，这使得他的程序能够更快地运行。

但是，小兔子发现这样做并不太理想，因为线程之间的切换需要系统进行上下文切换，会消耗大量的时间和资源。于是，他决定使用协程来帮助他更高效地完成任务。

协程是一种轻量级的线程，它可以让程序在执行过程中自动挂起和恢复。这意味着，协程可以在不切换线程的情况下进行切换，这使得它比线程更加轻量和高效。

最终，小兔子成功地使用了进程、线程和协程来完成了他的任务。他的程序运行得非常顺利，并且在新春的早晨，他准备了一大堆的新春美食，大家都吃得很开心。

正文

看完上面的故事，相信你对协程已经有了一定了解，接下来我们来聊聊Go的协程

定义

在解释协程之前，我们先来看看什么是进程和线程

进程定义

进程是操作系统中执行任务的基本单位，它是一组运行在一个中央处理器上的指令，它可以通过操作系统分配内存和资源来完成各种任务。

进程可以创建、控制和终止其他进程，它还可以通过进程间通信机制与其他进程进行交互。进程是操作系统中的一个重要概念，用于管理和调度系统资源，以确保各种应用程序能够正常运行。

线程定义

线程是操作系统的最小调度单位，它是进程的一个执行流。 一个进程可以包含多个线程，同时多个线程也可以共享进程的资源。

线程是比协程更底层的概念，它需要操作系统来创建和调度。 线程也比协程更加复杂，因为它需要手动管理线程的生命周期，包括创建、启动、挂起和终止等。

协程定义

在计算机系统中，通常使用多线程来解决并发问题。线程是操作系统内核提供的一种执行单元，可以被调度执行，并且拥有自己的内存空间。

然而，传统的线程有一些问题需要解决。首先，线程的创建和销毁需要消耗大量的系统资源，特别是内存。其次，线程之间的切换需要操作系统进行上下文切换，会消耗大量的时间和资源。

为了解决这些问题，就出现了协程这种机制。

协程是一种轻量级的线程，可以在单个进程中同时执行多个任务。 和普通的线程不同，协程不需要操作系统来创建和调度，因此它比线程更轻巧。

协程的工作原理是，在同一个进程中，多个协程之间共享资源，但是它们之间互不影响。 协程可以在不同的时间点挂起和恢复执行，这样就可以让多个协程之间合作完成任务。

协程的工作原理流程图：

[Tips] 在上面的例子中，协程 A 已经从协程 B 获得了一些数据，但是还需要更多的数据来完成任务，所以它再次向协程 B 发送请求，要求协程 B 返回额外的数据。

协程的优点在于它可以有效地利用计算机的多核处理能力，从而提高并行性。 同时，协程还比线程更容易使用，因为它们不需要手动管理线程的生命周期。

此外，协程还具有一些其他优点。 例如，协程可以在不同的协程之间轻松地传递数据，使用通道即可实现。 另外，协程也可以方便地进行错误处理，因为它们可以通过 Go 的内置机制进行层层传递。

线程、进程、协程区别

线程、进程、协程是计算机中三种常见的资源分配单位。 它们都是用来执行任务的，但是它们在资源分配、执行方式、系统开销等方面有所不同。

线程是进程的一个执行单元，进程是计算机中执行任务的基本单位，而协程是一种轻量级的线程。

三者的关系可以用下面的流程图表示：

三者的区别：

	线程	进程	协程
资源分配	在进程内共享资源	在进程间独立分配资源	在单个进程内共享资源
执行方式	并发执行	抢占性执行	并发执行
系统开销	较小	较大	较小

Go协程

在上面的故事中，小白兔运用协程同时处理多个任务，而这也是协程所要解决的问题——并发问题。 Go语言中的协程（又称为"goroutine"）是由Go语言内部实现的轻量级线程。它们的实现与传统的线程有很大的不同，有一些特别之处。

不同于其他编程语言，Go使用通信通道（channel）来传递数据。这使得只有一个协程（goroutine）能够访问数据，避免了竞态条件的出现。

一言以蔽之：不是通过共享内存通信，而是通过通信共享内存

（这句话详见:Go 博客中关于通过通信共享内容的帖子）

Go协程的调度是由Go语言运行时（runtime）自动管理的，而不是由操作系统内核调度的。这意味着，Go协程可以在不切换内核线程的情况下切换，从而避免了线程切换带来的开销。

其次，Go协程是协作式多任务，而不是抢占式多任务。这意味着，在Go语言中，协程之间是通过让出时间片的方式来协作的，而不是通过抢占处理器的方式。这使得Go协程在多个协程之间切换时，更加高效。

最后，Go协程是非常轻量级的。在Go语言中，创建一个新的协程只需要2kb左右的的内存空间，而传统的线程通常需要几兆的内存空间。这使得Go协程可以创建成千上万个，而不会对系统带来太大的负担。

但是，Go协程也有一些缺点，由于Go协程是由Go语言运行时自动调度的，因此它们之间并没有固定的执行关系，也就是说，不能保证某个协程在另一个协程之前执行。因此，在使用Go协程时，需要注意避免出现竞态条件的情况。

此外，Go协程也不支持传统的线程同步机制，如互斥锁、信号量等。因此，在使用Go协程时，需要注意使用适当的同步方式，例如channel、sync.WaitGroup等。

[Tips] 例子：

这是一个计算斐波拉契数列的程序，但因为没有使用同步机制，所以出现了竞态条件。

package main
import (
    "fmt"
    "sync"
)
func fib(n int) int {
    if n < 2 {
        return n
    }
    return fib(n-1) + fib(n-2)
}
func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 10; i++ {
        wg.Add(1)
        go func(n int) {
            defer wg.Done()
            fmt.Print(fib(n), ",")
        }(i)
    }
    wg.Wait()
}

输出：

解决方案：

package main

import "fmt"

func fibonacci(n int, c chan int) {
   x, y := 0, 1
   for i := 0; i < n; i++ {
      c <- x
      x, y = y, x+y
   }
   close(c)
}

func main() {
   c := make(chan int, 10)
   go fibonacci(cap(c), c)
   for i := range c {
      fmt.Println(i)
   }
}

示例代码

为了更好地展示go中如何使用协程，这里我给出一些示例代码

启动协程:

package main

import "fmt"

func main() {
    // 启动一个协程
    go func() {
        fmt.Println("Hello, World!")
    }()
}

使用通道在协程中传输数据：

package main

import "fmt"

func main() {
    // 创建一个整型通道
    ch := make(chan int)

    // 启动一个协程
    go func() {
        // 向通道中写入数据
        ch <- 1
    }()

    // 从通道中读取数据
    fmt.Println(<-ch)
}

使用通道进行同步:

package main

import "fmt"

func main() {
    // 创建一个整型通道
    ch := make(chan int)

    // 启动一个协程
    go func() {
        // 在协程中执行一些计算
        result := 1 + 1
        // 将计算结果写入通道
        ch <- result
    }()

    // 从通道中读取计算结果
    result := <-ch
    fmt.Println(result)
}

使用 select 分支多个通道的数据:

package main

import "fmt"

func main() {
    // 创建两个整型通道
    ch1 := make(chan int)
    ch2 := make(chan int)

    // 启动两个协程
    go func() {
        ch1 <- 1
    }()
    go func() {
        ch2 <- 2
    }()

    // 使用 select 分支多个通道的数据
    select {
    case result := <-ch1:
        fmt.Println(result)
    case result := <-ch2:
        fmt.Println(result)
    }
}

使用 context 包管理协程的生命周期:

package main

import (
    "context"
    "fmt"
)

func main() {
    // 创建一个带超时的上下文
    ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), 1*time.Second)
    defer cancel()

    // 启动一个协程
    go func() {
        // 使用 select 分支上下文中的 done 通道
        select {
        case <-ctx.Done():
            fmt.Println("Task cancelled")
        }
    }()

    // 等待协程结束
    <-ctx.Done()
}

总结

本文从一个小兔子准备新春美食的故事讲起，讲了进程、线程、协程的定义和三者的区别，并讲解了Go协程的一些细节和示例代码。

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最后，祝大家兔年快乐！