聊聊Go语言并发之道

news2024/11/24 4:50:39

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写在前面

2007年，Go语言诞生于Google公司，2009年开源，2012年推出1.0版本，曾两次获得TIOBE年度语言。2012年起，全球大量的开源项目开始使用Go语言开发，目前Go语言已成为云计算领域事实上的标准语言，特别是在容器领域，诞生了一大批优秀的开源软件，如Docker，Kubernetes等。2017年区块链技术在国内大热，区块链两个大的技术平台以以太坊(Ethereum)和超级账本(Hyperledger)子项目Fabric都是基于Go语言构建的。Go语言的应用领域逐渐扩大，目前的区块链、云计算、中间件和服务器编程领域显现出明显的优势。Go语言最先在云计算盛行，随后大量的互联网初创企业将Go语言作为后台主要开发语言。目前，无论互联网公司的独角兽，还是BAT，都已将Go语言作为其技术栈的重要组成部分。市场对Go语言编程人才的需求量也在持续上升。所以今天聊聊Go语言的核心，并发。

什么是并发和并行

当前环境下，CPU的工艺制程已经实现了7nm商用。可以预测单颗CPU的性能已经很难有指数级的提升，未来多核是主要的发展方向。硬件对软件的影响显而易见，软件的并发和并行也是未来的发展方向。并发和并行是两个不同的概念，应用程序具备好的并发结构，操作系统才能更好地利用硬件并行执行，同时避免阻塞等待，合理的进行调度，提高CPU利用率。

并行意味着程序在任何时刻都是同时运行的，并行就是在任一粒度的时间内部具备同时执行的能力，具有瞬时性，在于执行。
并发意味着程序在单位时间内是同时运行的，并发实在规定时间内多个请求都能得到执行和处理，具有过程性，在于结构。

GoRoutine

操作系统本身可以进行线程和进程的调度，本身具备并发能力，但进程切换代价过于高昂，进程切换需要保存现场，耗费较多的时间。Go语言的并发思想就是让应用程序在用户层再构建一级调度，将并发的粒度进一步降低，以更大限度地提高程序运行的效率呢。
Go语言的并发执行体称为goroutine，routine的意思就是例程，所以goroutine叫go例程更合理，我还是习惯直接叫goroutine。

Go语言调度模型

CPU执行指令的速度是非常快的，大部分简单的指令执行仅需三分之一纳秒，即1s可以执行30亿条简单指令，这个速度已经非常快了，CPU慢在对外部数据的读/写上，外部I/O的速度慢和阻塞是导致CPU使用效率不高的最大原因。在真实的系统中，CPU从来不是瓶颈，而是大部分的时间都被浪费了，所以我们需要增加CPU的有效吞吐量，尽可能让每个CPU核心都有事情做，尽可能提高每个CPU做事的效率。
应用程序的并发模型是多样的，其中最高效的还是协程，Go的并发执行模型就是一种变种的协程模型。

MPG模型

Go语言天生支持并发，MPG模型是go语言的并发模型。

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G - Goroutine: Go运行时对goroutine的抽象描述，存放兵法执行的代码入口地址、上下文、运行环境、运行栈等执行相关的元信息。
M - Machine：OS内核线程，是操作系统层面调度和执行的实体，负责执行。
P - Processor：M运行G时所需要的资源，对资源的一种抽象和管理，P不是一段代码实体，而是一个管理的数据结构， P主要降低M管理调度G的复杂性，增加一个间接的控制层数据结构。

Goroutine特点

有独立的栈空间，共享程序堆空间
调度由用户控制，不能保证多个goroutine的执行顺序
goroutine是一个轻量级的用户态的轻量级线程
goroutine从主线程开启的，是轻量级的线程，是逻辑态，对资源消耗相对小
goroutine可以轻松开启上万个线程。其他编程语言的并发机制是一般基于线程的,开启过多的线程，资源耗费大，这里更加可以体现出Go语言在并发上的优势了

Goroutine使用

普通函数启动goroutine

代码中使用time模块阻塞了主进程，等待所有goroutine执行完毕后再结束程序，但是这样我们并不知道goroutine何时执行完毕，即对时间的把控没有一个参考，在go语言中，sync提供多个Goroutine同步机制，主要通过WaitGroup实现。

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

// 计算1-100的和
func calc() {
	total := 0
	for i := 0; i <= 100; i++ {
		total += i
	}

	fmt.Printf("%v", total)
}

func main() {
	go calc()

	// 阻塞主进程
	time.Sleep(time.Second)
}

WaitGroup

sync包提供了多个Goroutine同步机制，主要通过WaitGroup实现。下面代码开启5个Goroutine，

package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

var wg sync.WaitGroup

// 计算1-100的和
func calc() {
  // wg.Done()方法等价于 wg.Add(-1)
	defer wg.Done()

	total := 0
	for i := 0; i <= 100; i++ {
		total += i
	}

	fmt.Printf("%v\n", total)
}

func main() {

	for i := 0; i < 5; i++ {
    // 每启动一个Goroutine，同时给wg加1
		wg.Add(1)
		go calc()
	}
	
  // 等待所有Goroutine运行完成
	wg.Wait()
}

Chan

chan是Go语言的一个关键字，是channel的简写，goroutine是Go语言里面的并发执行体，chan是goroutine之间通信和同步的重要组件。然而在Go语言提倡通过通信来共享内存。
通道分为无缓冲通道和有缓冲通道，无缓冲通道的len和cap都为0。无缓冲通道既可以用于通信，也可以用于两个Goroutine之间同步，有缓冲通道主要用于通信。

使用无缓冲通道实现Goroutine之间同步等待：

package main

import "fmt"

// 计算1-100的和
func calc(c chan bool) {
	total := 0
	for i := 0; i <= 100; i++ {
		total += i
	}
  fmt.Printf("%v", total)
  
	c <- true
}

func main() {
  // 声明一个bool类型的无缓冲通道用来同步等待
	c := make(chan bool)
	go calc(c)

	// 同步等待
	<-c
}