掌握Go并发：Go语言并发编程深度解析

news2024/11/28 3:44:06

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前言

当我们开发一个Web服务时，我们希望可以同时处理成千上万的用户请求，当我们有大量数据要计算时，我们希望可以同时开启多个任务进行处理，随着硬件性能的提升以及应用数据的增长，有越来越多的场景需要高并发处理，而高并发是Go的强项。

在这篇文章中，我们就一起来探究一下Go并发编程！

目录

前言

并发与并行

并发

并行

Goroutines

什么是Goroutine

Goroutine的优势

启动Goroutine

关闭Goroutine

Channel

什么是Channel

创建Channel

Channel操作

发送与接收

关闭

遍历

无缓冲区Channel

有缓冲区Channel

Channel的串联

单方向的channel

select：多路复用

Goroutine泄漏

小结

并发与并行

在谈Go并发编程之前，我们需要对并发与并行做一下区分。

并发

并发是指有多个任务处于运行状态，但无法确定到底任务的运行顺序，比如某一时间，有一个双核CPU，但有10个任务(线程)，这些任务可能随机被分配到相同或者不同的核心上去运行，但是其运行顺序是不确定的。

并行

并行是指多个任务在某一个时刻同时运行，比如某一个时刻，一个双核心的CPU，两个核心同时都有一个任务在运行，那么就是说这两个任务是并行的。

Goroutines

Goroutine是 Go语言的并发单元。

什么是Goroutine

Goroutine，中文称为协程，我们可以把 Goroutine看作是一个轻量级的线程，而从代码层面来看，Goroutine就是一个独立运行的函数或方法。

Goroutine的优势

  1. 与线程相比，创建一个Goroutine的开销要小得多，一个Goroutine初始化时只需要2KB，而一个线程则要2MB，所以Go程序可以大量创建Goroutine进行并发处理。
  2. 虽然协程初始化只有2KB，但却可以根据需求动态扩展。
  3. Goroutine可以通过Channel互相通讯，而线程只能通过共享内存互相通讯。
  4. Goroutine由Go调度器进行调度，而线程则依赖系统的调度。

启动Goroutine

要启动一个Goroutine非常简单，只要在函数或者方法前面加上 go关键字就可以了：

package main 

func Hello(){
	fmt.Println("hello")
}

func main(){
	go Hello()
	//匿名函数
	go func(){
		fmt.Println("My Goroutine")
	}()
}

程序启动后， main函数单独运行在一个 Goroutine中，这个 Goroutine称作 Main Goroutine，其他用go关键字启动的Goroutine各自运行。

如果你在控制台运行上面的程序，会发现在控制台根据没有任何输出，这是为什么呢？

原因在于虽然所有的Goroutine是独自运行的，但如果 Man Gorouine终止的话，那么所有 Goroutine 都会退出执行。

上面的示例中，我们启动的 Goroutine还没运行，main函数就执行结束了，因此整个程序就退出了。

package main 

import "time"

func Hello(){
	fmt.Println("hello")
}

func main(){
	go Hello()
	go func(){
		fmt.Println("My Goroutine")
	}()
	time.Sleep(time.Second)
}

上面的示例中，我们调用 time.Sleep()函数让 Main Goroutine休眠而不退出，这时候其他的Goroutine就可以在 Main Goroutine退出前执行。

关闭Goroutine

Go没有提供关闭Goroutine的机制，一般来说要让一个Goroutine停止有三种方式：

  • random Goroutine执行完成退出或者 return退出
  • main函数执行完成，所有Goroutine自然就会终止
  • 直接终止整个程序的执行(程序崩溃或调用os.Exit())，类似第2种方式。

Channel

Go并发编程的思想是：不要用共享内存来通讯，而是用通讯来共享内存。而这种通讯机制就是Channel。

什么是Channel

Channel是 Goroutine之间的通信机制，可以把 Channel理解为 Goroutine之间的一条管道，就像水可以从一个管道的一端流向另一端一样，数据也可以通过 Channel从一个 Goroutine流向其他的一个 Goroutine，以实现 Goroutine之间的数据通讯。

创建Channel

创建 Channel类型的关键字是 chan，在 chan后面跟一个其他的数据类型，用于表示该 channel可发送什么类型的数据，比如一个可以发送整数的 Channel其定义是：

var ch chan int

Channel的默认值为nil，Channel必须实例化后才能使用，使用 make()函数实例化：

ch = make(chan int)

ch1 := make(chan int)

Channel与map一样是引用数据类型，在调用make()函数后，该Channel变量引用一块底层数据结构，因此当把channel变量传递给函数时，调用者与被调用者引用的是同一块数据结构。

Channel操作

Channel支持发送与接收两种操作，无论是发送还是接收，都是用 <-运算符。

发送与接收

向Channel发送数据时，运算符 <-放在channel变量的右边，运算符与Channel变量之间可以有空格：

ch <- x

接收Channel数据时，运算符 <-放在channel变量的左边且之间不能有空格：

x <-ch
x <- ch //错误写法

不接收channel的结果也是可以的：

<-ch

一个示例：

package main

import "fmt"

func main() {
	ch := make(chan int)
	go func(ch chan int) {
		ch <- 10
	}(ch)
	m := <-ch
	fmt.Println(m)
}
关闭

使用内置 close可以关闭 Channel：

close(ch)

在关闭之后，如果再对该channel发送数据会导致panic错误：

close(ch)
ch <- x //panic

如果Channel中还有值未被接收，在关闭之后，还可以接收Channel里的值，如果没有值，则返回一个0值。

package main

import "fmt"

func main() {
	ch := make(chan int)
	go func(ch chan int) {
		ch <- 10
		close(ch) //关闭
	}(ch)
	m := <-ch
	n := <-ch
    //10,0
	fmt.Println(m, n)
}

在从Channel接收值的时候，也可以多接收一个布尔值，如果为true,表示可以接收到有效值，如果没有值，则表示Channel被关闭且没有值：

n,ok := <-ch

关闭一个已经关闭的Channel会导致panic,关闭一个nil值的Channel也会导致panic。

遍历

Channel也可以用for...range语句来遍历：

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {
	ch := make(chan int)
	go func(ch chan int) {
		ch <- 10
		ch <- 20
	}(ch)

	go func(ch chan int) {
		for c := range ch {
			fmt.Println(c)
		}
	}(ch)

	time.Sleep(time.Second)
}

无缓冲区Channel

上面的示例中，调用make()函数时没有指定第二个参数，这时创建的Channel称为无缓冲区Channel。

对于使用无缓冲区进行通讯的两个Goroutine来说，发送与阻塞都有可能会被阻塞，因此，本质使用无缓冲区的channel进行传输数据就是两个Goroutine之间的一次数据同步，无缓冲区的Channel又被称为同步Channel：

package main

import "fmt"

func main() {

	ch := make(chan int)
	go func() {
		ch <- 10
	}()

	fmt.Println(<-ch)
}

有缓冲区Channel

调用 make()函数实例化 Channel时，也可以通过该函数的第二个参数指定 Channel的容量：

ch := make(chan int,2)

通过 cap()和 len()函数可以 Channel的长度：

cap(ch) //2
len(ch) //0
ch <- 10
len(ch) //1

对于带有缓冲区的Channel来说，当Channel容量满了，发送操作会阻塞，当Channel空的时候，接收操作会阻塞，只有当Channel未满且有数据时，发送与接收才不会发生阻塞。

Channel的串联

Channel是Goroutine之间沟通的管道，日常生活中，管道可以连接在一起，水可以从一条管道流向另一条管道，而Channel也是一样的，数据可以从一个Channel流向另一个Channel。

package main

import "fmt"

func main() {
	ch1 := make(chan int)
	ch2 := make(chan int)

	go func() {
		for x := 0; x < 100; x++ {
			ch1 <- x
		}
		close(ch1)
	}()

	go func() {
		for {
			x, ok := <-ch1
			if !ok {
				break
			}
			ch2 <- x * x
		}
		close(ch2)
	}()

	for x := range ch2 {
		fmt.Println(x)
	}
}

单方向的channel

利用Channel进行通讯的大部分应用场景是一个Goroutine作为生产者，只负责发送数据，而另一个Goroutine作为消费者，接收数据。

对于生产者来说，不会对Channel执行接收的操作，对于消费者来说不会对Channel执行发送的操作

在声明Channel变量将<-运算符放在 chan关键前面则该Channel只能执行接收操作：

//只允许接收
var ch1 <-chan int

在声明Channel变量将<-运算符放在 chan关键字后面可以则该Channel只能执行发送操作:

//只允许发送
var ch2 chan<- int

像我们前面那正常声明一个Channel变量，则允许对该Channel执行发送和接收操作：

//可以发送和接收
var ch3 chan int

从一个只能发送数据的channel接收数据无法通过编译：

var ch chan<- int
x := <-ch //报错

向一个只有接收数据的channel发送数据无法通过编译:

var ch <-chan int
ch <- 10 //报错

对一个只有接收操作的 Channel执行 close()也无法通过编译:

var ch <-chan int
close(ch) //报错

select：多路复用

前面的示例中，我们在一个 Goroutine中只向一个 Channel发送数据或者只从一个 Channel接收数据，因为如果同时向两个Channel接收或发送数据时，如果第一个Channel没有事件响应，程序会一直阻塞：

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {

	ch1 := make(chan int)
	ch2 := make(chan int)
	go func(ch1 chan int, ch2 chan int) {
		fmt.Println("向ch1发送数据前")
		<-ch1
		fmt.Println("从ch2接收数据前")
		ch2 <- 1
	}(ch1, ch2)

	time.Sleep(1 * time.Second)
}

但很多场景下，我们需要在一个Goroutine中根据不同的Channel执行不同的操作：比如一个启动的Web服务器，在一个Goroutine中一边处理请求，一边监听信号量。要怎么做呢？

答案是：使用select语句，即多路复用，select语法类似switch语句，select语句块中可以包含多个case分支和一个default分支，每个case分支表示一个向Channel发送或接收的操作，select语句会选择可以执行的case分支来执行，如果没有，则执行default分支：

select {
case <-ch1:
    // do something
case x := <-ch2:
    // do somthing with x
case ch3 <- y:
    // do something
default:
    // dosomthing
}

下面我们通过一个案例来了解如何使用select语句，在这个例子中，我们模拟启动一个Web服务器处理来自用户的请求，而在处理请求的同时，还要可以根据接收的信息及时停止服务，我们在开启单独的一个Goroutine模拟向我们的Web发送停止信号：

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {

	s := make(chan struct{})

	go func(s chan struct{}) {
		time.Sleep(time.Microsecond * 100)
		s <- struct{}{}
	}(s)

	MyWebServer(s)
	fmt.Println("服务已停止...")
}

func MyWebServer(stop chan struct{}) {
	for {
		select {
		case <-stop:
			fmt.Println("服务器接收到停止信号")
			return
		default:
		}
		//模拟处理请求
		go HandleQuery()
	}
}

func HandleQuery() {
	fmt.Println("处理请求...")
}

Goroutine泄漏

一个 Goroutine 由于从Channel接收或向 Channel 发送数据一直被阻塞，一直无法往下执行时，这种情况称为 Goroutine泄漏:

package main

import "time"

func main() {

	ch := make(chan int)
	go func() {
		ch <- 10
	}()

	time.Sleep(time.Second * 2)
}

Goroutine执行完成退出后，由Go内存回收机制进行回收，但是发生内存泄漏的Goroutine并不会被回收，因此要避免发生这种情况。

总结

Go在语言层面支持并发编程，只需要在函数或者方法前加上go关键字便可以启动一个Goroutine，而Channel作为Goroutine之间的通讯管道，可以非常方便Goroutine之间的数据通讯。

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