Go并发编程(四)

2022-11-01 17:38:06

并发基础

多进程

多线程

基于回调的非阻塞/异步IO

协程

协程

与传统的系统级线程和进程相比，协程的最大优势在于其“轻量级”，可以轻松创建上百万个而不会导致系统资源衰竭，

而线程和进程通常最多也不能超过1万个。这也是协程也叫轻量级线程的原因。多数语言在语法层面并不直接支持协程，而是通过库的方式支持，但用库的方式支持的功能也并不完整，比如仅仅提供轻量级线程的创建、销毁与切换等能力。如果在这样的轻量级线程中调用一个同步 IO 操作，比如网络通信、本地文件读写，都会阻塞其他的并发执行轻量级线程，从而无法真正达到轻量级线程本身期望达到的目标。

Go 语言在语言级别支持轻量级线程，叫goroutine。Go 语言标准库提供的所有系统调用操作（当然也包括所有同步 IO 操作），都会出让 CPU 给其他goroutine。这让事情变得非常简单，让轻量级线程的切换管理不依赖于系统的线程和进程，也不依赖于CPU的核心数量。

goroutine

在一个函数调用前加上go关键字，这次调用就会在一个新的goroutine中并发执行。当被调用的函数返回时，这个goroutine也自动结束了。需要注意的是，如果这个函数有返回值，那么这个返回值会被丢弃。

package main
import"fmt"
func Add(x, y int){
z := x + y
fmt.Println(z)
}
func main(){
for i :=0; i <10; i++{
go Add(i, i)
}
}

Go程序从初始化main package并执行main()函数开始，当main()函数返回时，程序退出，且程序并不等待其他goroutine（非主goroutine）结束。所以看不到输出结果

要让主函数等待所有goroutine退出后再返回，如何知道goroutine都退出了呢?这就引出了多个goroutine之间通信的问题。下一节我们将主要解决这个问题。

并发通信

在工程上，有两种最常见的并发通信模型：共享数据和消息。

共享数据是指多个并发单元分别保持对同一个数据的引用，实现对该数据的共享。被共享的数据可能有多种形式，比如内存数据块、磁盘文件、网络数据等。在实际工程应用中最常见的无疑是内存了，也就是常说的共享内存。

下面是共享内存的实现

var count int
func Count(lock*sync.Mutex){
lock.Lock()
count++
fmt.Println(count)
lock.Unlock()
}
func main(){
lock:=&sync.Mutex{}
for i :=0; i <10; i++{
go Count(lock)
}
for{
lock.Lock()
c := count
lock.Unlock()
runtime.Gosched()
if c >10{
break
}
}
}

Go语言提供的是另一种通信模型，即以消息机制而非共享内存作为通信方式。

Go语言提供的消息通信机制被称为channel，接下来我们将详细介绍channel。现在，让我们用Go语言社区的那句著名的口号来结束这一小节：“不要通过共享内存来通信，而应该通过通信来共享内存。”

channel

channel是Go语言在语言级别提供的goroutine间的通信方式。

//声明一个chan
varch chan int
var mch map[string]chan bool
//声明并初始化一个int类型的chan
chan1 := make(chan int,1)
//将一个数据写入channel中
chan1 <-1
getchan1 :=<-chan1

从channel中取数据与写入数据

chan1 := make(chan int,1)
//将1写入channel中
chan1 <-1
//将一个数据从channel中读取到getchan1中
getchan1 :=<-chan1
fmt.Println(getchan1) //输出1

select

通过调用select()函数来监控一系列的文件句柄。一旦其中一个文件句柄发生了IO动作，该select()调用就会被返回

select的用法与switch语言非常类似，由select开始一个新的选择块，每个选择条件由case语句来描述。

与switch语句可以选择任何可使用相等比较的条件相比，select有比较多的限制，其中最大的一条限制就是每个case语句里必须是一个IO操作，大致的结构如下：

select{
case<-chan1:
// 如果chan1成功读到数据，则进行该case处理语句
case chan2 <-1:
// 如果成功向chan2写入数据，则进行该case处理语句
default:
// 如果上面都没有成功，则进入default处理流程
}

ch := make(chan int,1)
for{
select{
case ch <-0:
case ch <-1:
}
i :=<-ch
fmt.Println("Value received:", i)
}

缓冲机制

//创建一个带缓冲的channel
c := make(chan int,1024)

超时机制

在并发编程的通信过程中，最需要处理的就是超时问题，即向channel写数据时发现channel已满，或者从channel试图读取数据时发现channel为空。

如果不正确处理这些情况，很可能会导致整个goroutine锁死。

因为select的特点是只要其中一个case已经完成，程序就会继续往下执行，而不会考虑其他case的情况。所以可以使用select来避免goroutine阻塞问题

// 首先，我们实现并执行一个匿名的超时等待函数
timeout := make(chan bool,1)
go func(){
time.Sleep(1e9)// 等待1秒钟
timeout <-true
}()
// 然后我们把timeout这个channel利用起来
select{
case<-ch:
// 从ch中读取到数据
case<-timeout:
// 一直没有从ch中读取到数据，但从timeout中读取到了数据
}

这样使用select机制可以避免永久等待的问题

channel的传递

type PipeDatastruct{
value int
handler func(int)int
next chan int
}

func handle(queue chan *PipeData){
for data := range queue {
data.next<- data.handler(data.value)
}
}

单向channel

单向channel只能用于发送或者接收数据。

channel本身必然是同时支持读写的，否则根本没法用。假如一个channel真的只能读，那么肯定只会是空的，因为你没机会往里面写数据。同理，如果一个channel只允许写，即使写进去了，也没有丝毫意义，因为没有机会读取里面的数据。所谓的单向channel概念，其实只是对channel的一种使用限制。

我们在将一个channel变量传递到一个函数时，可以通过将其指定为单向channel变量，从

而限制该函数中可以对此channel的操作，比如只能往这个channel写，或者只能从这个channel读。

var ch1 chan int// ch1是一个正常的channel，不是单向的
var ch2 chan<- float64// ch2是单向channel，只用于写float64数据
var ch3 <-chan int// ch3是单向channel，只用于读取int数据

//单项channel初始化，ch4被转换为一个单项读channel和一个单向写channel
ch4 := make(chan int)
ch5 :=<-chan int(ch4)// ch5就是一个单向的读取channel
ch6 := chan<-int(ch4)// ch6 是一个单向的写入channel

关闭channel

close(ch)

如何判断一个channel是否已经被关闭

x, ok :=<-ch //返回值是false则表示ch已经被关闭。

多核并行化

type Vector[]float64
// 分配给每个CPU的计算任务
func (v Vector)DoSome(i, n int, u Vector, c chan int){
for; i < n; i++{
v[i]+= u.Op(v[i])
}
c <-1// 发信号告诉任务管理者我已经计算完成了
}
const NCPU =16// 假设总共有16核
func (v Vector)DoAll(u Vector){
c := make(chan int, NCPU)// 用于接收每个CPU的任务完成信号
for i :=0; i < NCPU; i++{
go v.DoSome(i*len(v)/NCPU,(i+1)*len(v)/NCPU, u, c)
}
// 等待所有CPU的任务完成
for i :=0; i < NCPU; i++{
<-c // 获取到一个数据，表示一个CPU计算完成了
}
// 到这里表示所有计算已经结束
}

在Go语言升级到默认支持多CPU的某个版本之前，我们可以先通过设置环境变量

GOMAXPROCS的值来控制使用多少个CPU核心。具体操作方法是通过直接设置环境变量

GOMAXPROCS的值，或者在代码中启动goroutine之前先调用以下这个语句以设置使用16个CPU

核心：

runtime.GOMAXPROCS(16)

到底应该设置多少个CPU核心呢，其实runtime包中还提供了另外一个函数NumCPU()来获

取核心数。可以看到，Go语言其实已经感知到所有的环境信息，下一版本中完全可以利用这些

信息将goroutine调度到所有CPU核心上，从而最大化地利用服务器的多核计算能力。抛弃

GOMAXPROCS只是个时间问题。

出让时间片

runtime.Gosched()

同步

同步锁

Go语言包中的sync包提供了两种锁类型：sync.Mutex和sync.RWMutex

Mutex是最简单的一种锁类型，同时也比较暴力，当一个goroutine获得了Mutex后，其他goroutine就只能乖乖等到这个goroutine释放该Mutex。RWMutex相对友好些，是经典的单写多读模型。在读锁占用的情况下，会阻止写，但不阻止读，也就是多个goroutine可同时获取读锁（调用RLock()方法；而写锁（调用Lock()方法）会阻止任何其他goroutine（无论读和写）进来，整个锁相当于由该goroutine独占。从RWMutex的实现看，RWMutex类型其实组合了Mutex：

对于这两种锁类型，任何一个Lock()或RLock()均需要保证对应有Unlock()或RUnlock()

调用与之对应，否则可能导致等待该锁的所有goroutine处于饥饿状态，甚至可能导致死锁。锁的

典型使用模式如下：

var l sync.Mutex
func foo(){
l.Lock()
defer l.Unlock()
//...
}

这里我们再一次见证了Go语言defer关键字带来的优雅。

全局唯一性操作

对于从全局的角度只需要运行一次的代码，比如全局初始化操作，Go语言提供了一个Once类型来保证全局的唯一性操作，具体代码如下：

var a string
var once sync.Once
func setup(){
a ="hello, world"
}
func doprint(){
once.Do(setup)
print(a)
}
func twoprint(){
go doprint()
go doprint()
}

once的Do()方法可以保证在全局范围内只调用指定的函数一次（这里指

setup()函数），而且所有其他goroutine在调用到此语句时，将会先被阻塞，直至全局唯一的

once.Do()调用结束后才继续。

码农公寓

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