Go中并发介绍

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2023年09月20日 06:24 · 阅读数 13

前面章节，已经看到了 Go 语言设计简单(尤其是其中)，接着就是了解一下 Go 的并行程序设计，Go 从语言层面就支持了并行。

Goroutine

goroutine 是 Go 并行设计的核心。

goroutine 就是协程，但是它比线程更小，十几个 goroutine 可能体现在底层就是五六个线程，Go 语言内部帮你实现了这些 goroutine 之间的内存共享。

执行 goroutine 只需极少的栈内存 (大概是 4~5 KB)，当然会根据相应的数据伸缩。也正因为如此，可同时运行成千上万个并发任务。goroutine 比 thread 更易用、更高效、更轻便。

goroutine 是通过 Go 的 runtime 管理的一个线程管理器。

goroutine 通过 go 关键字实现了，其实就是一个普通的函数。

go hello(a, b, c) : 这样就很容易的启动了一个协程来执行一段代码。

func say(s string) {
    for i := 0; i < 5; i++ {
        runtime.Gosched()
        fmt.Println(s)
    }
}

func main() {
    go say("world") // 开一个新的 Goroutines 执行
    say("hello") // 当前 Goroutines 执行
}

我们可以看到 go 关键字很方便的就实现了并发编程。

上面的多个goroutine 运行在同一个进程里面，共享内存数据。不过设计上我们要遵循：不要通过共享内存来通信，而要通过通信来共享。

Channels

goroutine 运行在相同的地址空间，因此访问共享内存必须做好同步。那么 goroutine 之间如何进行数据的通信呢，Go 提供了一个很好的通信机制 channel。

channel 可以与 Unix shell 中的双向管道做类比：可以通过它发送或者接收值。

这些值只能是特定的类型： channel 类型。定义一个 channel 时，也需要定义发送到 channel 的值的类型。

注意，必须使用 make 创建 channel： c := make(chan int)

channel 通过操作符 <- 来接收和发送数据

ch <- v    // 发送 v 到 channel ch.
v := <-ch  // 从 ch 中接收数据，并赋值给v

来一起看个例子，下面的例子定义的是一个无缓冲区 channel。

func sum(a []int, c chan int) {
    total := 0
    for _, v := range a {
            total += v
    }
    c <- total // send total to c
}

func main() {
    a := []int{7, 2, 8, -9, 4, 0}

    c := make(chan int)
    go sum(a[:len(a)/2], c)
    go sum(a[len(a)/2:], c)
    x, y := <-c, <-c // receive from c

    fmt.Println(x, y, x+y)
}

没有缓冲情况下，channel 接收和发送数据都是阻塞的，除非另一端已经准备好，这样就使得 Goroutines 同步变的更加的简单，而不需要显式的 lock。

所谓阻塞，也就是如果读取（value := <-ch）它将会被阻塞，直到有数据接收。任何发送（ch<-5）将会被阻塞，直到数据被读出。

无缓冲 channel 是在多个 goroutine 之间同步很棒的工具。

Buffered Channels

上面介绍了无缓存区类型的 channel，不过 Go 也允许指定 channel 的缓冲大小，很简单，就是 channel 可以存储多少元素。

ch:= make (chan bool, 4)，创建了可以存储4个bool 类型 channel。在这个 channel 中，前4个元素可以无阻塞的写入。当写入第5个元素时，代码将会阻塞，直到其他 goroutine 从 channel 中读取一些元素，腾出空间。

ch := make(chan type, value)

当 value = 0 时，channel 是无缓冲阻塞读写的，当 value > 0 时，channel 有缓冲、是非阻塞的，直到写满 value 个元素才阻塞写入。

func main() {
    c := make(chan int, 2) // 修改 2 为 1 就报错，修改 2 为 3 可以正常运行
    c <- 1
    c <- 2
    fmt.Println(<-c)
    fmt.Println(<-c)
}

Range 和 Close

上面例子中，我们需要读取两次 c，这样不是很方便，Go 考虑到了这一点，所以也可以通过 range，像操作 slice 或者 map 一样操作缓存类型的 channel，请看下面的例子

func fibonacci(n int, c chan int) {
    x, y := 1, 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)
    fmt.Println("协程启动完成!")
    for i := range c { // 会一直读取，直到channel显式关闭
        fmt.Println(i)
    }
}

for i := range c 能够不断的读取 channel 里面的数据，直到该 channel 被显式的关闭。

上面代码我们看到可以显式的关闭 channel，生产者通过内置函数 close 关闭 channel。

关闭 channel 之后就无法再发送任何数据了，在消费方可以通过语法 v, ok := <-ch 测试 channel 是否被关闭。

如果 ok 返回 false，那么说明 channel 已经没有任何数据并且已经被关闭。

应该在生产者的地方关闭 channel，而不是消费的地方去关闭它，这样容易引起 panic

channel 不像文件之类的，不需要经常去关闭，只有当你确实没有任何发送数据了，或者你想显式的结束 range 循环之类

Select

我们上面介绍的都是只有一个 channel 的情况，那么如果存在多个 channel 的时候，我们该如何操作呢，Go 里面提供了一个关键字 select，通过 select 可以监听 channel 上的数据流动。

select 默认是阻塞的，只有当监听的 channel 中有发送或接收可以进行时才会运行，当多个 channel 都准备好的时候，select 是随机的选择一个执行的。

func fibonacci(c, quit chan int) {
    x, y := 1, 1
    for {
        select {
        case c <- x:
            x, y = y, x + y
        case <-quit:
            fmt.Println("quit")
            return
        }
    }
}

func main() {
    c := make(chan int)
    quit := make(chan int)
    go func() {
        for i := 0; i < 10; i++ {
            fmt.Println(<-c)
        }
        quit <- 0
    }()
    fibonacci(c, quit)
}

在 select 里面还有 default 语法，select 其实就是类似 switch 的功能，default 就是当监听的 channel 都没有准备好的时候，默认执行的（select 不再阻塞等待 channel）。

例如：


select {
case i := <-c:
    // use i
default:
    // 当 c 阻塞的时候执行这里
}

超时

有时候会出现 goroutine 阻塞的情况，那么我们如何避免整个程序进入阻塞的情况呢？我们可以利用 select 来设置超时，通过如下的方式实现：

func main() {
    c := make(chan int)
    o := make(chan bool)
    go func() {
        for {
            select {
            case v := <-c:
                println(v)
            case <-time.After(5 * time.Second):
                println("timeout")
                o <- true
                // 此处的break只是跳出了select循环，并未终止for循环，要用return才能终止这个子进程
                break
            }
        }
    }()
    <-o
}

runtime goroutine

runtime 包中有几个处理 goroutine 的函数：

Goexit: 退出当前执行的 goroutine，但是 defer 函数还会继续调用
Gosched: 让出当前 goroutine 的执行权限，调度器安排其他等待的任务运行，并在下次某个时候从该位置恢复执行。
NumCPU: 返回 CPU 核数量
NumGoroutine: 返回正在执行和排队的任务总数
GOMAXPROCS: 用来设置可以并行计算的 CPU 核数的最大值，并返回之前的值。