【Go】三、Go并发编程

并发编程

我们主流的并发编程思路一般有：多进程、多线程

但这两种方式都需要操作系统介入，进入内核态，是十分大的时间开销

由此而来，一个解决该需求的技术出现了：用户级线程，也叫做 绿程、轻量级线程、协程

python - asyncio、java - netty22111111111111115

由于 go 语言是 web2.0 时代发展起来的语言，go语言没有多线程和多进程的写法，其只有协程的写法 golang - goroutine

func Print() {
	fmt.Println("打印印")
}

func main() {
	go Print()
}

我们可以使用这种方式来进行并发编程，但这个程序里要注意，我们主程序在确定完异步之后结束，会立即让程序退出，这就导致我们并发的子线程没来得及执行就退出了。

我们可以增加一个Sleep来让主线程让出资源，等待子线程执行完毕再进行操作

func Print() {
	for {
		time.Sleep(time.Second)
		fmt.Println("打印印")
	}

}

func main() {
	go Print()
	for {
		time.Sleep(time.Second)
		fmt.Println("主线程")
	}
}

另外的，Go 语言协程的一个巨大优势是 可以打开成百上千个协程，协助程序效率的提升

要注意一个问题：

多进程的切换十分浪费时间，且及其浪费系统资源

多线程的切换也很浪费时间，但其解决了浪费系统资源的问题

协程既解决了切换浪费时间的问题，也解决了浪费系统资源的问题

Go语言仅支持协程

Go语言中，协程的调度（gmp机制）：

用户新建的协程（Goroutine）会被加入到同一调度器中等待运行，若调度器满，则会将调度器中一半的 G 加入到全局队列中，其他 P 若没有 G 则会从其他 P 中偷取一半的 G ，若所有的都满，则会新建 M 进行处理

P 的数量是固定的

注意 M 和 P 不是永远绑定的，当一个 P 现在绑定的 M 进入了阻塞等情况，P 会自动去寻找空闲的 M 或创建新的 M 来绑定

子 goroutine 如何通知到主 goroutine 其运行状态？也就是我们主协程要知道子协程运行完毕之后再进行进一步操作，也就是 （wait）

func main() {

	// 定义 sync.Group 类型的变量用于控制goroutine的状态
	var wg sync.WaitGroup

	for i := 0; i < 100; i++ {
		go func(i int) {
			wg.Add(1)       // 每次启动一个协程都要开启一个计数器
			defer wg.Done() // 每次结束之前都要让计数器 -1
			fmt.Println("这次打印了:" + strconv.Itoa(i))
		}(i)
	}
	wg.Wait()
	fmt.Println("结束..................................")
}

锁

Go语言中的锁

互斥锁

我们看下面这个程序：

var total int
var wg sync.WaitGroup

func add() {
	defer wg.Done()
	for i := 0; i <= 100000; i++ {
		total += 1
	}
}

func sub() {
	defer wg.Done()
	for i := 0; i <= 100000; i++ {
		total -= 1
	}
}

func main() {
	wg.Add(2)
	go add()
	go sub()
	wg.Wait()
	fmt.Println(total)
	/*
		-100001
		100001
		68595
		...
	*/
}

我们发现这个程序的结果不可预知，这是因为 a 的操作分为三步：

取得 a 的值、执行 a 的计算操作、写入 a 的值，这三步不是原子性的，如果发生了交叉，则一个数准备写入时发生协程切换，这时后面再做再多的操作，也会被这次切换屏蔽掉，最终写入这一个数的结果，由此可知，这种非原子性操作共享数据的模式是不可预知结果的。

那么，我们就需要加锁，像下面这样

var total int
var wg sync.WaitGroup
var lock sync.Mutex
var lockc = &lock

func add() {
	defer wg.Done()
	for i := 0; i <= 100000; i++ {
		lock.Lock() // 加锁，直至见到自己这把锁的 Unlock() 方法之前，令这中间的方法都为原子性的
		total += 1
		lock.Unlock() // 解锁，配合 Lock() 方法使用
	}
}

func sub() {
	defer wg.Done()
	for i := 0; i <= 100000; i++ {
		lockc.Lock()
		total -= 1
		lockc.Unlock()
	}
}

func main() {
	wg.Add(2)
	go add()
	go sub()
	wg.Wait()

	fmt.Println(total)
	fmt.Printf("%p\n", &lock)
	fmt.Printf("%p\n", &(*lockc))
}

注意，上面这个程序不仅演示了加锁，还演示了，浅拷贝不影响加锁的情况

另外，我们也可以使用 automic 对简单的数值计算进行加锁

var total int32
var wg sync.WaitGroup
var lock sync.Mutex
var lockc = &lock

func add() {
	defer wg.Done()
	for i := 0; i <= 100000; i++ {
		atomic.AddInt32(&total, 1)
	}
}

func sub() {
	defer wg.Done()
	for i := 0; i <= 100000; i++ {
		atomic.AddInt32(&total, -1)
	}
}

func main() {
	wg.Add(2)
	go add()
	go sub()
	wg.Wait()
	fmt.Println(total)
}

读写锁

读写锁就是：允许同时读，不允许同时写，不允许同时读写

func main() {
	var num int
	var rwlock sync.RWMutex // 定义一个读写锁
	var wg sync.WaitGroup   // 定义等待处理器

	wg.Add(2)

	go func() {
		defer wg.Done()
		rwlock.Lock() // 写锁
		defer rwlock.Unlock()
		num = 12
	}()

	// 同步处理器，这里是简便处理
	time.Sleep(1)

	go func() {
		defer wg.Done()
		rwlock.RLock()
		defer rwlock.RUnlock()
		fmt.Println(num)
	}()

	wg.Wait()

}

一个简单的测试

func main() {
	var rwlock sync.RWMutex // 定义一个读写锁
	var wg sync.WaitGroup   // 定义等待处理器

	wg.Add(6)

	go func() {
		time.Sleep(time.Second)
		defer fmt.Println("释放写锁，可以进行读操作")
		defer wg.Done()
		rwlock.Lock() // 写锁
		defer rwlock.Unlock()
		fmt.Println("得到写锁，停止读操作")
		time.Sleep(time.Second * 5)
	}()

	for i := 0; i < 5; i++ {
		go func() {
			defer wg.Done()
			for {
				rwlock.RLock()
				fmt.Println("得到读锁，进行读操作")
				time.Sleep(time.Millisecond * 500)
				rwlock.RUnlock()
			}
		}()
	}

	wg.Wait()
	/**
	得到读锁，进行读操作

	得到写锁，停止读操作
	释放写锁，可以进行读操作
	
	得到读锁，进行读操作
	得到读锁，进行读操作
	得到读锁，进行读操作
	*/

}

通信

Go 语言中对于并发场景下的通信，秉持以下理念：

不要通过共享内存来通信，要通过通信实现共享内存

其他语言都是用一个共享的变量来实现通信，或者消息队列，Go语言就希望实现队列的机制

	var msg chan string //定义一个用于传递 string 的 channel

	// 创建一个缓冲区大小为 1 的 channel
	// 只有 有缓冲区的 channel 才可以暂存数据
	msg = make(chan string, 1)

	msg <- "data"
	data := <-msg
	fmt.Println(data)

只有 goroutine 中才可以使用缓冲区大小为 0 的channel

func main() {
	var msg chan string //定义一个用于传递 string 的 channel

	// 创建一个缓冲区大小为 1 的 channel
	// 只有 有缓冲区的 channel 才可以暂存数据
	msg = make(chan string, 0)

	go func(msg chan string) {
		data := <-msg
		fmt.Println(data)
	}(msg)

	msg <- "data"
	time.Sleep(time.Second * 3)
}

这时由于 go 语言 channel 中的 happen-before 机制，该机制保证了 就算先 receiver 也会被 goroutine 挂起，等待 sender 完成之后再进行 receiver 的具体执行

go 语言中，channel 的应用场景十分广泛，包括：

• 信息传递、消息过滤
• 信号广播
• 事件订阅与广播
• 任务分发
• 结果汇总
• 并发控制
• 同步异步

Go 语言的消息接收问题

func main() {
	var msg chan string //定义一个用于传递 string 的 channel

	// 创建一个缓冲区大小为 1 的 channel
	// 只有 有缓冲区的 channel 才可以暂存数据
	msg = make(chan string, 0)

	go func(msg chan string) {
		// 注意这里，每一个接收消息的变量只能接收到一个消息，若有多条消息同时发送，则无法接收
		data := <-msg
		fmt.Println(data)

		math := <-msg
		fmt.Println(math)
	}(msg)

	msg <- "data"
	msg <- "math"
	time.Sleep(time.Second * 3)

}

如果我们不知道消息会发送来多少，可以使用 for-range 进行监听：

func main() {
	var msg chan string //定义一个用于传递 string 的 channel

	// 创建一个缓冲区大小为 1 的 channel
	// 只有 有缓冲区的 channel 才可以暂存数据
	msg = make(chan string, 2)

	go func(msg chan string) {
		// 若我们不确定有多少消息会过来，我们可以使用 for-range 进行循环验证
		for data := range msg {
			fmt.Println(data)
		}
	}(msg)

	msg <- "data"
	msg <- "math"
	time.Sleep(time.Second * 3)

}

close(msg) // 关闭队列，监听队列的 goroutine 会立刻退出

关闭了的 channel 不能再存储数据，但可以进行数据的取出操作

上面我们所接触的 channel 都是双向的 channel 即这个channel 对应的goroutine 既可以从里面读数据，也可以向里面写数据，这种不符合我们程序，一个程序只做它对应的一个功能，这一程序设计思路

创建单向 channel：

	var ch1 chan int       // 这是一个双向 channel
	var ch2 chan<- float64 // 这是一个只能写入 float64 类型数据的单向 channel
	var ch3 <-chan int     // 这是一个只能从 存储int型 channel中读取数据的单向channel

	c := make(chan int, 3)     // 创建一个双向 channel
	var send chan<- int = c    // 将 c channel 的写入能力赋予给 send，使其成为一个单向发送的 channel (生产者)
	var receive <-chan int = c // 将c channel 的读取能力赋予给receive，使其成为一个单向接收的 channel (消费者)

经典例子：

/**
经典：
使用两个 goroutine 交替打印：12AB34CD56EF78GH910IJ1112.....YZ2728
*/

var number, letter = make(chan bool), make(chan bool)

func printNum() {
	// 这里是等待接收消息，若消息接收不到，则该协程会始终阻塞在这个位置
	i := 1
	for {
		<-number
		fmt.Printf("%d%d", i, i+1)
		i += 2
		letter <- true
	}
}

func printLetter() {
	i := 0
	str := "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ"
	for {
		<-letter
		fmt.Print(str[i : i+2])
		number <- true
		if i <= 23 {
			i += 2
		} else {
			return
		}

	}

}

func main() {
	go printNum()
	go printLetter()
	number <- true
	time.Sleep(time.Second * 20)
}

使用 select 对 goroutine 进行监控

// 使用 struct{} 作为传入的信息，由于这个 struct{} 占用内存空间较小，这是一种常见的传递方式

func g1(ch chan struct{}) {
	time.Sleep(time.Second * 3)
	ch <- struct{}{}
}

func g2(ch chan struct{}) {
	time.Sleep(time.Second * 3)
	ch <- struct{}{}
}

func main() {
	g1Channel := make(chan struct{})
	g2Channel := make(chan struct{})

	go g1(g1Channel)
	go g2(g2Channel)

	// 注意这里只要有一个能取到值则 select 结果则结束
	select {
	// 若 g1Channel 中能取到值
	case <-g1Channel:
		fmt.Println("g1 done")
	// 若 g1Channel 中能取到值
	case <-g2Channel:
		fmt.Println("g2 done")
	}
}

这里若所有的 goroutine 都就绪了，则 select 执行哪个是随机的，为的是防止某个 goroutine 一直被优先执行导致的另一个 goroutine 饥饿

超时机制：

// 使用 struct{} 作为传入的信息，由于这个 struct{} 占用内存空间较小，这是一种常见的传递方式

func g1(ch chan struct{}) {
	time.Sleep(time.Second * 3)
	ch <- struct{}{}
}

func g2(ch chan struct{}) {
	time.Sleep(time.Second * 3)
	ch <- struct{}{}
}

func main() {
	g1Channel := make(chan struct{})
	g2Channel := make(chan struct{})

	go g1(g1Channel)
	go g2(g2Channel)

	timeChannel := time.NewTimer(5 * time.Second)

	for {
		// 注意这里只要有一个能取到值则 select 结果则结束
		select {
		// 若 g1Channel 中能取到值
		case <-g1Channel:
			fmt.Println("g1 done")
		// 若 g1Channel 中能取到值
		case <-g2Channel:
			fmt.Println("g2 done")
		case <-timeChannel.C: // timeChannel.C 是获取我们创建的 channel 的方法
			fmt.Println("time out")
			return
		}
	}
}

context

使用 WithCancel() 引入手动终止进程的功能

func cpuIInfo(ctx context.Context) {
	defer wg.Done()
	for {
		select {
		case <-ctx.Done(): // 本质还是一个 channel
			fmt.Println("程序退出执行...........")
			return
		default:
			time.Sleep(1 * time.Second)
			fmt.Println("CPUUUUUUUUUUUUUU")
		}
	}
}

func main() {
	/**
	这里有一个问题，我们可以将以 context.Background() 为参数的 context 是作为最上层的父 context
	所有以其他 context 为参数的 context 都是他的子 context
	只要父 context 调用了 cancel() 则其所有的子 context 都会停止
	*/
	ctxParent, cancel := context.WithCancel(context.Background())
	ctxChild, _ := context.WithCancel(ctxParent)

	wg.Add(1)
	go cpuIInfo(ctxChild)
	time.Sleep(5 * time.Second)
	cancel() // 这个方法会直接向context channel 中传入一个对象，令channel停止
	wg.Wait()
}

使用 WthTimeout() 来自动引入超时退出机制

var wg sync.WaitGroup

func cpuIInfo(ctx context.Context) {
	defer wg.Done()
	for {
		select {
		case <-ctx.Done(): // 本质还是一个 channel
			fmt.Println("程序退出执行...........")
			return
		default:
			time.Sleep(1 * time.Second)
			fmt.Println("CPUUUUUUUUUUUUUU")
		}
	}
}

func main() {
	/**
	这里有一个问题，我们可以将以 context.Background() 为参数的 context 是作为最上层的父 context
	所有以其他 context 为参数的 context 都是他的子 context
	只要父 context 调用了 cancel() 则其所有的子 context 都会停止
	*/
	ctxParent, _ := context.WithTimeout(context.Background(), 6*time.Second)
	ctxChild, _ := context.WithCancel(ctxParent)

	wg.Add(1)
	go cpuIInfo(ctxChild)
	wg.Wait()
}

WithDeadline() 是指定某个时间点，在某个时间点的时候进行执行

WithValue() 则会向 context 中传递一个数据，我们可以在子 goroutine 中调用这个数据

var wg sync.WaitGroup

func cpuIInfo(ctx context.Context) {
	defer wg.Done()
	for {
		select {
		case <-ctx.Done(): // 本质还是一个 channel
			fmt.Println("程序退出执行...........")
			return
		default:
			time.Sleep(1 * time.Second)
			fmt.Printf("%s", ctx.Value("LeaderID"))
			fmt.Println("CPUUUUUUUUUUUUUU")
		}
	}
}

func main() {
	/**
	这里有一个问题，我们可以将以 context.Background() 为参数的 context 是作为最上层的父 context
	所有以其他 context 为参数的 context 都是他的子 context
	只要父 context 调用了 cancel() 则其所有的子 context 都会停止
	*/
	ctxParent, _ := context.WithTimeout(context.Background(), 6*time.Second)
	ctxChild := context.WithValue(ctxParent, "LeaderID", "00001") // 注意 WithValue 方法只有一个返回值

	wg.Add(1)
	go cpuIInfo(ctxChild)
	wg.Wait()
}