【Hello Go】Go语言并发编程

概述

基本概念

并行和并发概念

• 并行 ：在同一时刻 有多条指令在多个编译器上
• 并发 ：在同一时刻 只能有一条指令执行 但是多个进程指令被快速的轮换执行 使得在宏观上有多个进程被同时执行的效果

如果我们把它具象化成现实中的概念

• 并行就是同一时刻 两个队列使用两台咖啡机
• 并发就是同一时刻 两个队列使用一台咖啡机

go语言的并发优势

第一 Go语言在语言层面上天然支持并发 （不像某个语言 23版本才勉强上线）

第二 并发编程的内存管理都是十分复杂的 而Go语言支持GC即 垃圾回收机制

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Go语言为了支持并发编程而内置的上层API是基于 CSP (顺序通信进程) 模型 这就意味着显示锁都是可以避免的 而Go语言通过相册安全的通道发送和接受数据以实现同步 这大大简化了并发程序的编写

一般情况下 一个普通的桌面计算机系统跑十几二十个线程就会有点负载了 但是同样的这台计算机却能轻松的让成百上千甚至过万个 goroutine进行资源竞争

goroutine

goroutine是什么

goroutine是Go并发设计的核心 说到底 其实它是协程 但是它比线程更小 十几个goroutine在底层的体现可能是几个线程

Go语言内部帮你实现了帮你实现了这些goroutine之间的内存共享 执行它只需要极少的栈内存 大概（4~5kb） 正因为如此 可以同时运行成千上万个goroutine任务

goroutine比thread更高效 更简单 更轻便

创建goroutine

只需要在函数调用之前添加go关键字 就可以创建并发执行单元 开发人员无需了解任何细节 调度器会自动将其安排到合适的系统线程上执行

在并发编程里 我们通常想将一个过程切分成几块 并且然后让每个goroutine负责它的一部分 当一个程序运行时 它的主函数即在一个单独的goroutine中执行 我们把它叫做 main goroutine

而新的goroutine使用go语句来创建

代码演示如下

func testnewgor() {
	for i := 0; i < 5; i++ {
		fmt.Println("new goroutine say :", i)
		time.Sleep(time.Second)
	}
}

func main() {
	go testnewgor()

	for i := 0; i < 5; i++ {
		fmt.Println("main goroutine say :", i)
		time.Sleep(time.Second)
	}
}

运行这段代码之后我们会发现主协程 新协程会同时打印语句

如果主goroutine退出

如果说主goroutine推出了 并不会有类似linux中孤儿进程的概念 其他的goroutine也会立即退出

runtime包

Gosched

runtime.gosched（） 用于让出CPU时间片 让出当前协程的执行权限 调度器会安排其他等待的任务执行 并在下次的某个时刻从该位置开始恢复执行

这就像接力赛一样 A跑了一段时间遇到代码runtime.gosched() 之后将接力棒交给B 之后B跑了一段时间遇到代码runtime.gosched()之后将接力棒交给A

下面是示例代码

func main() {
	go func() {
		for i := 0; i < 5; i++ {
			runtime.Gosched()
			fmt.Println("world")
		}
	}()

	// main gorotinue
	for i := 0; i < 5; i++ {
		fmt.Println("hello")
		runtime.Gosched()
	}

	// 最后结果为  hello  world  hello world ... ...

}

Goexit

调用Goexit函数将会立即终止当前goroutine执行 调度器会确保所有的defer调用被执行

下面是示例代码演示

	go func() {
		defer fmt.Println("this is A")

		runtime.Goexit()
		defer fmt.Println("this is B")
		fmt.Println("this is C")
	}()  // 只会打印 this is A   因为后面的延时调用语句还没来得及执行协程就退出了 

	// 不让主协程退出  观察其他携程的掩饰效果
	for {

	}

GOMAXPROCS

GOMAXPROCS在Go语言中是一个环境变量 它表示可以Go语言可以并发的最大核心数

如果是 runtime.GOMAXPROCS(size int) 函数 我们有两种用法

• 第一种是将参数设置0 此时会返回我们当前的最大核心数
• 第二种是将参数设置为其他正整数 此时核心会变为我们设置的值

channel

它和map类似 channel也是一个对于make创建的底层数据结构的引用

当我们复制了一个channel用于函数传参时 我们只是拷贝了一个channel引用 因此调用者和被调用者将使用同一个channel对象 和其他的引用类型一样 channel的零值也是nil

定义一个channel时 我们也需要定义发送到chanel值的类型 channel可以使用内置的make（）函数来实现

make(chan Type) //等价于make(chan Type, 0)
make(chan Type, capacity)

当capacity等于0的时候 是无缓冲阻塞式读写的

当capacity大于0的时候 是有缓冲非阻塞的 直到写入的数据大于capacity才会阻塞住

channel通过操作符<-来接收和发送数据 发送和接收数据语法如下

channel <- value // 发送value到channel 
<- channel // 接受并且丢弃所有数据 
x := <- channel  // 从channel接受数据 并且赋值给x
x , ok := <- channel  // 功能同上 不过增加了一个bool类型的数据来检查通道是否关闭或者是否为空 

在默认情况下 channel接受和发送数据都是阻塞的 除非另一端已经准备好了 这就让goroutine的同步变得简单 不需要显示的lock了

	c := make(chan int)

	go func() {
		fmt.Println("子协程正在运行")
		defer fmt.Println("子协程已结束")

		c <- 666
	}()

	fmt.Println("主协程正在运行")
	x := <-c
	time.Sleep(time.Second)
	fmt.Println("子协程发送的值为", x)

无缓冲的channel

无缓冲的通道（unbuffered channel）是指在接收前没有能力保存任何值的通道

这种类型的通道要求发送 goroutine 和接收 goroutine 同时准备好，才能完成发送和接收操作。如果两个goroutine没有同时准备好，通道会导致先执行发送或接收操作的 goroutine 阻塞等待。

这种对通道进行发送和接收的交互行为本身就是同步的。其中任意一个操作都无法离开另一个操作单独存在。

我们上面的代码就是一个无缓冲channel 这里为了方便大家理解再发一遍

	c := make(chan int)

	go func() {
		fmt.Println("子协程正在运行")
		defer fmt.Println("子协程已结束")

		c <- 666
	}()

	fmt.Println("主协程正在运行")
	x := <-c
	time.Sleep(time.Second)
	fmt.Println("子协程发送的值为", x)

有缓冲的channel

有缓冲的channel创建方式如下

make(chan Type, capacity)

此时它阻塞的方式也发生了变化

• 如果缓冲区满了并且还在写数据此时会写入阻塞
• 如果缓冲区空了并且还在读数据此时会读取阻塞

range和close

我们可以通过close来关闭一个channel

close (chan)

• channel 不像文件一样需要经常去关闭 只有当你确实没有任何发送数据了 或者要结束range循环才关闭
• 关闭之后无法再发送任何的数据 发数据会引发panic异常
• 关闭后可以接受数据
• 接受数据会阻塞住

此外我们还可以通过range迭代来获取数据 一旦管道关闭 range循环就会结束

单向channel

默认情况下，通道是双向的，也就是，既可以往里面发送数据也可以同里面接收数据

但是，我们经常见一个通道作为参数进行传递而值希望对方是单向使用的，要么只让它发送数据，要么只让它接收数据，这时候我们可以指定通道的方向

单向channel变量的声明非常简单，如下：

var ch1 chan int       // ch1是一个双向的管道
var ch2 chan<- float64 // ch2只能往里写入float64数据
var ch3 <-chan int     // ch3只能用于接受int类型的数据

• chan<- 表示数据进入管道，要把数据写进管道，对于调用者就是输出。
• <-chan 表示数据从管道出来，对于调用者就是得到管道的数据，当然就是输入

我们可以将channel隐式的转化为单向队列只收或者只发 不能将单向的channel转化为普通channel

转换的语法如下

c := make(chan int, 3)
var send chan<- int = c // send-only
var recv <-chan int = c // receive-only

下面是完整的使用代码

func recv(out <-chan int) {
	for x := range out {
		fmt.Println(x)
	}
}

func send(in chan<- int) {
	for i := 0; i < 5; i++ {
		in <- i * 100
	}

	close(in)
}

func main() {
	c := make(chan int, 3)
	go send(c)
	recv(c)
	time.Sleep(3 * time.Second)
}

定时器

Timer

timer是一个定时器 代表未来的一个单一事件 你可以告诉timer这个时间要等待的时间 它会提供一个channel 在将来的那个时间 channel提供了一个时间值

下面是示例代码

func main() {
	// 创建定时器 两秒后定时器就会像自己的c字节发送一个time.TIME类似的元素值
	timer1 := time.NewTimer(2 * time.Second)
	t1 := time.Now() // 当前时间
	fmt.Printf("t1 : %v\n", t1)

	t2 := <-timer1.C
	fmt.Println("t2:", t2)
}

我们在创建定时器之后的两秒钟会收到一个时间 之后我们可以将该时间和现在的时间对比一下 我们发现正好相差了两秒

Ticker

Ticker是一个定时触发的计时器 它会以一个间隔往channel中发送一个事件 而channel的接收者可以以固定的时间间隔从channel中读取事件

下面是示例代码

func main() {
	// 创建一个定时器 每隔一秒像channel中发送一个事件
	ticker := time.NewTicker(time.Second * 1)

	i := 0
	go func() {
		for i = 0; i < 5; i++ {
			<-ticker.C

			println("goroutine say : ", i)
		}

		// 最后关闭ticker
		ticker.Stop()
	}()

	for {
		
	}
}

Select

Go语言提供了一个关键字select 通过select可以监听channel上的数据流动

select的用法和switch十分相似 由select选择一个新的模块 之后每个选择条件由case语句来描述

此外select语句对比switch语句来说有诸多的限制 其中最大的一条限制就是每一条语句里面必须有一个IO操作 大致结构如下

	select {
	case <-chan1: // 如果chan1成功读取到数据 则执行该操作
	// ....
	case chan2 <- 1: // 如果chan2成被写入数据 则执行官该操作
	default:
	}

在一个select语句中 Go语言会按照顺序评估每个发送和接受的语句 如果说有任意条语句可以执行 那么就从这些可执行的语句中任选一条来使用

如果说所有的通道都被阻塞了 那么此时有两种情况

• 如果给出了default语句 那么就会执行default语句 并且程序会从select语句后恢复
• 如果没有default语句 那么default语句将会被阻塞 直到一个case可用

func fib(c, q chan int) {
	x, y := 1, 1

	for {
		select {
		case c <- x: // 如果c输出了数据
			x, y = y, x+y
		case <-q: // 如果q被写入了数据
			fmt.Println("quit")
			return
		}
	}
}

func main() {
	c := make(chan int)
	quit := make(chan int)

	go func() {
		for i := 0; i < 6; i++ {
			fmt.Println(<-c)
		}
		quit <- 0
	}()

	fib(c, quit)
}

值得注意的是select中 case c <- x: 的含义 它的意思是 c可以写入数据的时候执行 那么c什么时候可以写入数据呢？ 当然是有人要接受数据的时候

所以说我们的 fmt.Println(<-c) 语句有两个作用

1. 接受数据并打印
2. 让c可以写入数据

运行结果如下

超时

有时候我们会遇到goroutine阻塞的情况 那么我们如何避免整个程序陷入阻塞呢 我们可以通过设置超时来实现

语法如下

func main() {
	c := make(chan int)
	q := make(chan int)
	o := make(chan bool)

	go func() {
		select {
		case c <- 0: // 当c可以写入数据的时候
			println("可写入")
		case <-q: // 当q可以输出数据的时候
			println("可输出")
		case <-time.After(5 * time.Second):
			println("超时")
			o <- false
			println("我运行完毕了")
			break
		}
	}()
	
	<-o
}

这段代码的最终结果就是打印一个超时之后结束进程