go并发处理业务

引言

实际上，在服务端程序开发和爬虫程序开发时，我们的大多数业务都是IO密集型业务，什么是IO密集型业务，通俗地说就是CPU运行时间只占整个业务执行时间的一小部分，而剩余的大部分时间都在等待IO操作。

IO操作包括http请求、数据库查询、文件读取、摄像设备录音设备的输入等等。这些IO操作会引起中断，使业务线程暂时放弃cpu，暂时停止运行，等待IO操作完成后在重新获得cpu、继续运行下去。

比如下面这段代码，我执行了一个很简单的IO操作，就是请求百度的主页面。在IO操作之后我又执行了一个一千万数量级的循环，用来模拟cpu计算业务。

func main() {
	t := time.Now().UnixMilli()

	// 发起http请求病接收响应
	res, _ := http.Get("https://www.baidu.com")
	fmt.Printf("https请求结束，耗时%dms\n", time.Now().UnixMilli()-t)

	// 进行1e7次计算操作，用来模拟业务处理时cpu计算内容
	body, _ := io.ReadAll(res.Body)
	res.Body.Close()
	for i := 1; i <= 1e7; i++ {
		_ = i * i
		_ = i + i
	}
	
	fmt.Printf("程序运行结束，总耗时%dms, 数据长度为%d", time.Now().UnixMilli()-t, len(body))
}

这段程序在我的电脑上的输出结果是：

https请求结束，耗时250ms
程序运行结束，总耗时256ms, 数据长度为227

不难看出，向百度发起请求耗费了250ms，而一千万次cpu计算仅耗费6ms。（实际情况中，大多数业务的cpu计算量甚至远远达不到1e7级别）

我们为什么要引入并发呢，正如操作系统课程上讲的那样，目的就是为了提高cpu的利用率，如果某个线程正处在等待IO的状态，此时cpu是空闲的，那么我们就应该用cpu去执行别的线程，而不是傻傻的等待这个进程结束再去进行别的操作。

并发样例

假设现在有一个爬虫项目，它的业务流程如下图所示，我大致描述一下流程：

1. 首先要爬取A和B的页面，并解析页面结果
2. 然后根据B页面的解析结果，设定好相关参数，对C、D、F页面进行爬取；同样的根据A页面的解析结果，设定好相关参数，对E页面进行爬取
3. 接下来根据C、D页面的解析结果，设定好相关参数，对G页面进行爬取
4. 最后，对E、F、G三个页面进行解析，得到我们需要的最终数据

虽然只是假设，但类似的业务流程在爬虫项目中是很常见的。
除此之外，类似的业务流程在后端程序开发中也很常见，对于前端的一个请求，后端很可能需要多次访问数据库、向下游服务器发送请求、访问内存外的缓存数据等等。

每个页面爬取耗费的时间如图中所示，由于cpu计算耗费时间很短，所以在这里就忽略不计。我们用sleep函数来模拟发起请求耗费的时间，代码如下图所示，每个task函数代表爬取一个页面：

func taskA() string {
	time.Sleep(time.Millisecond * 40)
	return "AAA"
}
func taskB() string {
	time.Sleep(time.Millisecond * 30)
	return "BBB"
}
func taskC(resultOfB string) string {
	time.Sleep(time.Millisecond * 30)
	return "CCC"
}
func taskD(resultOfB string) string {
	time.Sleep(time.Millisecond * 30)
	return "DDD"
}
func taskF(resultOfB string) string {
	time.Sleep(time.Millisecond * 30)
	return "FFF"
}
func taskE(resultOfA string) string {
	time.Sleep(time.Millisecond * 30)
	return "EEE"
}
func taskG(resultOfC, resultOfD string) string {
	time.Sleep(time.Millisecond * 30)
	return "GGG"
}

串行

串行，也就是不使用并发的代码如下所示：
串行的代码非常好写，从前往后把task函数顺序执行就行了，之所以在这里把串行代码和运行结果列出了，主要是为了和下面的并发做对比。

func main() {
	t := time.Now().UnixMilli()

	// 按照任务执行的先后要求，顺序执行所有任务
	resultOfA := taskA()
	fmt.Printf(" %dms: A over\n", time.Now().UnixMilli()-t)

	resultOfB := taskB()
	fmt.Printf(" %dms: B over\n", time.Now().UnixMilli()-t)

	resultOfC := taskC(resultOfB)
	fmt.Printf(" %dms: C over\n", time.Now().UnixMilli()-t)

	resultOfD := taskD(resultOfB)
	fmt.Printf(" %dms: D over\n", time.Now().UnixMilli()-t)

	resultOfE := taskE(resultOfA)
	fmt.Printf(" %dms: E over\n", time.Now().UnixMilli()-t)

	resultOfF := taskF(resultOfB)
	fmt.Printf(" %dms: F over\n", time.Now().UnixMilli()-t)

	resultOfG := taskG(resultOfC, resultOfD)
	fmt.Printf(" %dms: G over\n", time.Now().UnixMilli()-t)
	
	// 打印E、F、G的运行结果，至此程序就运行结束了，打印程序运行所耗费的时间
	fmt.Printf(" %dms: all over, %s, %s, %s\n", time.Now().UnixMilli()-t, resultOfE, resultOfF, resultOfG)
}

程序的执行结果如下所示，可以看到效率很慢很慢，总执行时间等于所有任务执行时间之和。

41ms: A over
73ms: B over
118ms: C over
164ms: D over
194ms: E over
240ms: F over
285ms: G over
286ms: all over, EEE, FFF, GGG

并发

本文的重点来了，如何并发地执行上面假设的爬虫程序？怎样才能让cpu的利用效率最高？

go为我们提供了非常好用的goroutine和chan，前者叫做协程也可以简单地认为是小型线程，能够以极小的开销和极快的速度启动一个并发任务；后者叫做通道，也可以叫管道，是协程和协程间通信的工具，不仅能够传递数据，还能够阻塞和唤醒协程从而实现协程间的同步。

在下面的代码中，我们使用通道来进行任务与任务之间的通信，我们为每一个任务都开一个协程，如果该任务没有前置依赖，那么就之间执行，然后把执行结果放到对应的通道中；如果该任务有前置依赖任务，那么先从通道中读取自己所需要的数据，然后再执行相应任务。

代码如下所示，逻辑很简单，主要是体现了一种并发的思想和并发执行任务的思路，现实情况中并发业务的代码肯定要复杂得多。

func main() {
	t := time.Now().UnixMilli()

	// AtoE代表A把自己的运行结果交给E的所经过的通道，下面同理
	AtoE := make(chan string, 1)
	BtoC := make(chan string, 1)
	BtoF := make(chan string, 1)
	BtoD := make(chan string, 1)
	CtoG := make(chan string, 1)
	DtoG := make(chan string, 1)
	GtoEnd := make(chan string, 1)
	FtoEnd := make(chan string, 1)
	EtoEnd := make(chan string, 1)

	// 每个go func代表着给某个任务开一个协程
	// 为A任务开个协程
	go func() {
		resultOfA := taskA()
		AtoE <- resultOfA
		fmt.Printf(" %dms: A over\n", time.Now().UnixMilli()-t)
	}()

	// 为B任务开个协程
	go func() {
		resultOfB := taskB()
		BtoF <- resultOfB
		BtoC <- resultOfB
		BtoD <- resultOfB
		fmt.Printf(" %dms: B over\n", time.Now().UnixMilli()-t)
	}()

	// 为C任务开个协程
	go func() {
		resultOfB := <-BtoC
		resultOfC := taskC(resultOfB)
		CtoG <- resultOfC
		fmt.Printf(" %dms: C over\n", time.Now().UnixMilli()-t)
	}()

	// 为D任务开个协程
	go func() {
		resultOfB := <-BtoD
		resultOfD := taskC(resultOfB)
		DtoG <- resultOfD
		defer fmt.Printf(" %dms: D over\n", time.Now().UnixMilli()-t)
	}()

	// 为F任务开个协程
	go func() {

		resultOfB := <-BtoF
		resultOfF := taskF(resultOfB)
		FtoEnd <- resultOfF
		fmt.Printf(" %dms: F over\n", time.Now().UnixMilli()-t)
	}()

	// 为E任务开个协程
	go func() {
		resultOfA := <-AtoE
		resultOfE := taskC(resultOfA)
		EtoEnd <- resultOfE
		fmt.Printf(" %dms: E over\n", time.Now().UnixMilli()-t)
	}()

	// 为G任务开个协程
	go func() {
		resultOfC := <-CtoG
		resultOfD := <-DtoG
		resultOfG := taskG(resultOfC, resultOfD)
		GtoEnd <- resultOfG
		fmt.Printf(" %dms: G over\n", time.Now().UnixMilli()-t)
	}()

	// 接收E、F、G的运行结果，至此程序就运行结束了，打印程序运行所耗费的时间
	resultOfE, resultOfF, resultOfG := <-EtoEnd, <-FtoEnd, <-GtoEnd
	fmt.Printf(" %dms: all over, %s, %s, %s\n", time.Now().UnixMilli()-t, resultOfE, resultOfF, resultOfG)
}

程序的执行结果如下所示，可以看到程序运行中花费了105ms，很接近关键路径的长度90ms，说明我们这个程序的并发性很好，在最大程度上实现了cpu的高效利用。（PS：关键路径begin → B→ C → G → end）

43ms: A over
44ms: B over
74ms: E over
74ms: C over
74ms: D over
74ms: F over
105ms: G over
105ms: all over, CCC, FFF, GGG