以可视化方式解释 Go 并发

以可视化方式解释 Go 并发 - 通道

news2024/11/25 23:02:42

在并发编程中，许多编程语言采用共享内存/状态模型。然而，Go 通过实现通信顺序进程 (CSP) 区别于众多语言。在 CSP 中，一个程序由并行的进程组成，这些进程不共享状态，而是使用通道进行通信和同步它们的操作。因此，对于有意采用 Go 的开发人员来说，理解通道的工作原理变得至关重要。在本文中，我将使用 Gopher 运行他们的虚构咖啡馆的可爱比喻来阐述通道，因为我坚信人类更容易通过视觉学习。

情景

Partier、Candier 和 Stringer 经营一家咖啡馆。由于制作咖啡需要比接受订单更多的时间，Partier 将协助接受客户的订单，然后将这些订单传递到厨房，Candier 和 Stringer 在那里制作咖啡。

Gopher's Cafe

无缓冲通道

最初，咖啡馆以最简单的方式运营：每当收到新订单时，Partier 将订单放入通道中，并等待 Candier 或 Stringer 中的任何一个在接受新订单之前取走它。这种 Partier 和厨房之间的通信是通过无缓冲通道实现的，使用 ch := make(chan Order) 创建。当通道中没有待处理的订单时，即使 Stringer 和 Candier 都准备好接受新订单，它们也会保持空闲状态，等待新订单到来。

无缓冲通道

当收到新订单时，Partier 将其放入通道中，使订单可以被 Candier 或 Stringer 之一接受。但是，在继续接受新订单之前，Partier 必须等待其中一个从通道中获取订单。

由于 Stringer 和 Candier 都可以接受新订单，因此订单将立即被其中一个接受。但是，不能保证或预测哪个具体的接收者会获取订单。在 Stringer 和 Candier 之间的选择是非确定性的，它依赖于诸如调度和 Go 运行时的内部机制等因素。假设 Candier 获取了第一个订单。

Candier 完成处理第一个订单后，她回到等待状态。如果没有新订单到达，那么 Candier 和 Stringer 这两名工作人员都会保持空闲状态，直到 Partier 将另一个订单放入通道中供他们处理。

当新订单到达并且 Stringer 和 Candier 都可以处理它时，即使 Candier 刚刚处理了前一个订单，接收新订单的具体工作人员仍然是不确定的。在这种情况下，假设 Candier 再次被分配为第二个订单的接收者。

在新订单 order3 到达时，Candier 正在处理 order2，她没有等待在行 order := <-ch 处，因此 Stringer 成为唯一可以接收 order3 的工作人员。因此，他会接收到它。

在将 order3 发送给 Stringer 后不久，order4 到达。此时，Stringer 和 Candier 已经忙于处理各自的订单，没有人可以接收 order4。由于通道没有缓冲，将 order4 放入通道会阻塞 Partier，直到 Stringer 或 Candier 可以接收 order4 为止。这种情况值得特别注意，因为我经常看到人们对无缓冲通道（使用 make(chan order) 或 make(chan order, 0) 创建）和具有缓冲大小为 1 的通道（使用 make(chan order, 1) 创建）感到困惑。因此，他们错误地期望 ch <- order4 立即完成，允许 Partier 在 ch <- order5 处被阻塞之前接受 order5。如果您也是这样认为的，我已经在 Go Playground 上创建了一个代码片段，以帮助您纠正您的误解 https://go.dev/play/p/shRNiDDJYB4。

带缓冲通道

无缓冲通道是有效的，但它限制了总吞吐量。如果他们只接

受一些订单以便在后端（厨房）顺序处理它们，那将更好。这可以通过使用带缓冲通道来实现。现在，即使 Stringer 和 Candier 忙于处理他们的订单，只要通道不满，例如最多 3 个待处理订单，Partier 仍然可以将新订单放入通道并继续接受其他订单。

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引入带缓冲通道后，咖啡馆增强了处理更多订单的能力。然而，选择适当的缓冲区大小以保持客户合理的等待时间非常重要。毕竟，没有客户想忍受过长的等待时间。有时，拒绝新订单可能比接受新订单但无法及时完成它们更可接受。此外，在使用带缓冲通道的瞬时容器化（Docker）应用程序时要小心，因为预计会随机重启，在这种情况下，从通道中恢复消息可能是一项具有挑战性甚至不可能的任务。

通道 vs 阻塞队列

尽管基本上不同，Java 中的阻塞队列用于线程之间的通信，而 Go 中的通道用于 Goroutine 的通信，但阻塞队列和通道在某种程度上表现出相似之处。如果您熟悉阻塞队列，那么理解通道肯定会更容易。

常见用途

通道是 Go 应用程序中的基本和广泛使用的功能，可以用于各种用途。通道的一些常见用例包括：

•Goroutine 通信：通道允许不同 Goroutine 之间进行消息交换，使它们能够协作而无需直接共享状态。•工作池：如上面的示例所示，通道经常用于管理工作池，其中多个相同的工作程序从共享通道中处理传入任务。•分发和汇总：通道促进了分发和汇总模式，多个 Goroutine（分发）执行工作并将结果发送到单个通道，而另一个 Goroutine（汇总）消耗这些结果。•超时和截止期：通道与 select 语句结合使用，可以用于处理超时和截止期，确保程序可以优雅地处理延迟并避免无限等待。

我将在其他文章中更详细地探讨通道的不同用法。但是，目前，让我们通过实现上述咖啡馆场景来结束这篇介绍性博客，并观察通道如何在其中发挥作用。我们将探讨 Partier、Candier 和 Stringer 之间的互动，并观察通道如何促进它们之间的顺畅通信和协调，从而实现咖啡馆中的高效订单处理和同步。

演示代码

package main


import (
    "fmt"
    "log"
    "math/rand"
    "sync"
    "time"
)


func main() {
    ch := make(chan order, 3)
    wg := &sync.WaitGroup{}
    wg.Add(2)


    go func() {
        defer wg.Done()
        worker("Candier", ch)
    }()


    go func() {
        defer wg.Done()
        worker("Stringer", ch)
    }()


    for i := 0; i < 10; i++ {
        waitForOrders()
        o := order(i)
        log.Printf("Partier: I %v, I will pass it to the channel\n", o)
        ch <- o
    }


    log.Println("No more orders, closing the channel to signify workers to stop")
    close(ch)


    log.Println("Wait for workers to gracefully stop")
    wg.Wait()


    log.Println("All done")
}


func waitForOrders() {
    processingTime := time.Duration(rand.Intn(2)) * time.Second
    time.Sleep(processingTime)
}


func worker(name string, ch <-chan order) {
    for o := range ch {
        log.Printf("%s: I got %v, I will process it\n", name, o)
        processOrder(o)
        log.Printf("%s: I completed %v, I'm ready to take a new order\n", name, o)
    }


    log.Printf("%s: I'm done\n", name)
}


func processOrder(_ order) {
    processingTime := time.Duration(2+rand.Intn(2)) * time.Second
    time.Sleep(processingTime)
}


type order int


func (o order) String() string {
    return fmt.Sprintf("order-%02d", o)
}

您可以复制此代码，在您的 IDE 上进行调整并运行，以更好地理解通道的工作原理。