【MIT 6.5840(6.824)学习笔记】使用Go进行线程和RPC编程

1 为什么选择Go

在实现分布式系统时,选择合适的编程语言非常重要。Go有以下特点:

  • 优秀的线程支持;
  • 便捷的RPC机制、类型;
  • 内存安全以及垃圾回收机制。

这使Go成为了一个理想的选择。Go不仅相对简单,而且其垃圾回收机制使线程管理更加容易,避免了使用后释放问题。由于这些优势,Go在分布式系统中被广泛应用。

Go Tutorial

2 线程与Go中的Goroutine

线程是一种有用的结构工具,允许一个程序同时执行多项任务,每个线程串行执行,就像非线程程序一样。Go中称线程为Goroutine,每个Goroutine在执行时包含自己的程序计数器、寄存器和栈,但共享内存。使用线程可以提高I/O并发性和多核性能,同时也方便后台任务的处理。

2.1 为什么使用线程?

  1. I/O并发性:客户端可以并行向多个服务器发送请求并等待回复,服务器可以同时处理多个客户端请求。
  2. 多核性能:在多核处理器上并行执行代码,提高计算效率。
  3. 便捷性 :后台线程可以定期检查各个worker线程是否仍然活跃。

2.2 线程的替代方案

事件驱动编程(Event-driven programming)是一种替代传统多线程编程的方式,通过在单线程中显式交错处理活动来实现I/O并发性。这种编程模型常用于处理大量I/O操作的场景,例如网络服务器和图形用户界面(GUI)应用。

在事件驱动编程中,系统维护一个事件循环(event loop),不断检查并处理事件队列中的事件。每个事件通常对应某种外部输入或状态变化,如网络请求到达、用户点击按钮或定时器到期。事件处理程序(event handler)被注册到特定事件上,当相应事件发生时,处理程序被调用来执行预定义的操作。

2.3 线程编程挑战

  1. 安全共享数据 :多个线程同时访问共享数据时可能导致竞争条件,常用的解决方案是使用锁(如Go的sync.Mutex)或者避免共享可变数据。
  2. 线程间协调 :一个线程生产数据,另一个线程消费数据,需要使用Go的通道(channel)或条件变量(sync.Cond)或等待组(sync.WaitGroup)进行协调。
  3. 死锁 :线程之间通过锁或channel或RPC相互等待资源时可能导致死锁,需要小心避免。

3 以网络爬虫为例的线程应用

网络爬虫的目标是抓取所有网页内容,常见的实现方式有串行和并发两种。并发爬虫利用线程提高抓取效率,但也需要解决避免重复抓取和循环依赖的问题。

在本例中,我们使用一个填充的Fetcher来模拟抓取。fetcher结构如下:

go 复制代码
type fakeResult struct {
	body string
	urls []string
}

func (f fakeFetcher) Fetch(url string) ([]string, error) {
	if res, ok := f[url]; ok {
		fmt.Printf("found:   %s\n", url)
		return res.urls, nil
	}
	fmt.Printf("missing: %s\n", url)
	return nil, fmt.Errorf("not found: %s", url)
}

// fetcher is a populated fakeFetcher.
var fetcher = fakeFetcher{
	"http://golang.org/": &fakeResult{
		"The Go Programming Language",
		[]string{
			"http://golang.org/pkg/",
			"http://golang.org/cmd/",
		},
	},
	"http://golang.org/pkg/": &fakeResult{
		"Packages",
		[]string{
			"http://golang.org/",
			"http://golang.org/cmd/",
			"http://golang.org/pkg/fmt/",
			"http://golang.org/pkg/os/",
		},
	},
	"http://golang.org/pkg/fmt/": &fakeResult{
		"Package fmt",
		[]string{
			"http://golang.org/",
			"http://golang.org/pkg/",
		},
	},
	"http://golang.org/pkg/os/": &fakeResult{
		"Package os",
		[]string{
			"http://golang.org/",
			"http://golang.org/pkg/",
		},
	},
}

3.1 串行爬虫

串行爬虫通过递归调用实现深度优先搜索,使用一个共享的map记录已抓取的URL,防止重复抓取。然而,这种方式只能一次抓取一个页面,速度较慢。代码如下:

go 复制代码
func Serial(url string, fetcher Fetcher, fetched map[string]bool) {
	// Use a map to keep track of fetched URLs
	if fetched[url] {
		return
	}
	fetched[url] = true
	urls, err := fetcher.Fetch(url)
	if err != nil {
		return
	}
	// Recursively fetch URLs
	for _, u := range urls {
		Serial(u, fetcher, fetched)
	}
	return
}

我们是否可以在Serial()调用前面放一个go

Serial() 调用前添加 go 关键字会导致并发执行多个爬虫任务,从而可能导致重复抓取相同的页面。这是因为每个爬虫任务都会尝试从未抓取过的页面开始递归抓取,而并发执行可能导致多个爬虫同时选择相同的页面作为起始点,进而重复抓取。

3.2 并发爬虫

3.2.1 使用锁

每个页面的抓取在独立的线程中进行,为了确保抓取过程的正确性,我们使用了互斥锁来保护共享的 fetchState 结构体,避免了重复抓取和并发冲突的问题。在抓取过程中,我们使用了递归调用 ConcurrentMutex 函数来处理当前页面的所有子链接。每当发现一个新的子链接时,我们启动一个新的 Goroutine 来并发地抓取该链接,从而实现了多个页面的并行抓取。使用 sync.WaitGroup 来等待所有的子链接抓取任务完成,确保主线程在所有任务完成后才返回,以避免提前结束抓取过程。代码如下:

go 复制代码
type fetchState struct {
	mu      sync.Mutex      // protect concurrent crawls
	fetched map[string]bool // Used to store crawled URLs. The key is URL and the value is whether it has been crawled.
}

func (fs *fetchState) testAndSet(url string) bool {
	fs.mu.Lock()
	defer fs.mu.Unlock()
	r := fs.fetched[url]
	fs.fetched[url] = true
	return r // Return to previous crawling status
}

func ConcurrentMutex(url string, fetcher Fetcher, fs *fetchState) {
	if fs.testAndSet(url) {
		return
	}
	urls, err := fetcher.Fetch(url)
	if err != nil {
		return
	}
	var done sync.WaitGroup // Create a wait group that waits for all subtasks to complete
	for _, u := range urls {
		done.Add(1)         // Increase the counter of the waiting group
		go func(u string) { // Start a Go coroutine to concurrently crawl sub-links
			defer done.Done()
			ConcurrentMutex(u, fetcher, fs) // Recursive call ConcurrentMutex, fetching sub-links.
		}(u)
	}
	done.Wait() // Wait for all subtasks to complete
	return
}

3.2.2 使用通道

每个worker线程将抓取到的URL发送到一个通道,coordinator从通道中读取URL并启动新的worker线程。这种方式避免了锁的使用,但需要小心避免通道阻塞导致的死锁。代码如下:

go 复制代码
func worker(url string, ch chan []string, fetcher Fetcher) {
	urls, err := fetcher.Fetch(url)
	if err != nil {
		ch <- []string{}
	} else {
		ch <- urls
	}
}

func coordinator(ch chan []string, fetcher Fetcher) {
	n := 1                           // 记录正在处理的任务数量,初始值为 1,因为最开始只有一个初始 URL
	fetched := make(map[string]bool) // 记录已经抓取的 URL
	for urls := range ch {           // 不断从通道中接收抓取到的链接列表,直到通道被关闭
		for _, u := range urls { // 遍历接收到的链接列表
			if fetched[u] == false {
				fetched[u] = true
				n += 1
				go worker(u, ch, fetcher) // 启动一个新的 worker 协程抓取该链接的子链接
			}
		}
		n -= 1
		if n == 0 { // 如果当前没有正在处理的任务,则退出循环,结束并发抓取过程
			break
		}
	}
}

// ConcurrentChannel 函数是并发抓取的入口函数,利用通道协调并发抓取的过程。
func ConcurrentChannel(url string, fetcher Fetcher) {
	ch := make(chan []string) // 创建一个字符串切片类型的通道
	go func() {               // 启动一个匿名函数的 Go 协程,用于向通道发送 URL
		ch <- []string{url} // 向通道发送包含初始 URL 的字符串切片
	}()
	coordinator(ch, fetcher) // 调用 coordinator 函数,开始并发抓取的协调过程
}

worker 函数中,每个worker线程会尝试抓取指定的URL,并将抓取到的子链接发送到通道中。如果抓取失败,则发送一个空的字符串切片到通道,以便通知coordinator任务失败。

coordinator 函数中,coordinator不断从通道中读取抓取到的链接列表,然后遍历这些链接,如果发现之前未抓取过的新链接,则将其标记为已抓取并启动一个新的worker线程进行抓取。同时,coordinator会维护一个计数器 n 来记录当前正在处理的任务数量,当所有任务都处理完成后,coordinator结束并发抓取的过程。

ConcurrentChannel 函数中,我们首先创建了一个字符串切片类型的通道,并启动了一个匿名的 Goroutine 来向通道发送初始的 URL。然后,调用 coordinator 函数开始并发抓取的协调过程。

  1. coordinator如何知道它已经完成?

coordinator知道它已完成的条件是 n 计数器的值归零。coordinator通过维护 n 计数器来跟踪当前正在处理的任务数量,每个worker线程处理完成后会将 n 减一。当 n 计数器的值为零时,表示所有的任务都已经完成,coordinator就知道自己的工作已经完成。

  1. 通道在这里有两个作用:
  • 通信值:worker线程将抓取到的链接列表发送到通道中,以便coordinator可以读取并处理。
  • 事件通知:通道的关闭可作为事件通知,当通道关闭时,coordinator会知道所有的worker线程都已完成,并且没有新的任务需要处理。

4 远程过程调用(RPC)

4.1 介绍

4.1 远程过程调用(RPC)

远程过程调用(RPC)是分布式系统中的关键技术之一,它使得客户端和服务器之间的通信变得简单而直观。在分布式系统中,不同的节点可能分布在不同的物理机器上,RPC允许这些节点之间进行远程通信,就像调用本地函数一样,无需了解底层的网络协议细节。

RPC的目标是实现易于编程的客户端/服务器通信,它隐藏了底层网络通信的复杂性,为开发人员提供了简单的接口。通过RPC,开发人员可以专注于业务逻辑的实现,而无需担心网络通信的细节。

在RPC中,数据在客户端和服务器之间通过网络传输,因此需要将数据转换为"有线格式"(wire format)。RPC库负责处理数据的序列化和反序列化,以确保数据可以在网络上传输并在另一端正确解析。

RPC消息的基本结构是请求-响应模式。客户端发送请求给服务器,服务器处理请求并发送响应给客户端。这种简单的请求-响应模式使得RPC成为了一种非常有效的通信方式。

在RPC的软件结构中,通常会有以下几个组件:

  • 客户端应用程序:负责发起RPC请求的应用程序。
  • 存根函数(Stub functions):客户端应用程序调用的接口函数,实际上是一个本地代理,负责将RPC调用转发给远程服务器。
  • 服务器处理函数(Handler functions):服务器端实际执行业务逻辑的函数。
  • 调度器(Dispatcher):负责将RPC请求分发给正确的处理函数。
  • RPC库:提供了RPC通信所需的基本功能,例如序列化、网络通信等。

通过RPC,不同语言编写的客户端和服务器可以进行通信,实现了跨语言的可移植性和互操作性。

4.2 Go的RPC实现

在Go中,实现RPC需要定义请求和回复的结构体,并使用Go的RPC库来处理通信。下面是一个示例,展示了如何在Go中实现一个简单的键值存储服务器(key/value storage server),并使用RPC进行通信。

  • 请求回复结构体

    在键值存储服务器的示例中,我们定义了用于Put和Get操作的请求和回复结构体:

    go 复制代码
    type PutArgs struct {
    	Key   string
    	Value string
    }
    
    type PutReply struct {
    }
    
    type GetArgs struct {
    	Key string
    }
    
    type GetReply struct {
    	Value string
    }
  • 服务器端(Server)

    在服务器端,首先需要定义一个对象,并在该对象上注册处理函数作为RPC处理程序。这些处理函数将处理客户端发送的RPC请求。服务器接受TCP连接并将其传递给RPC库。RPC库负责读取每个请求,并为每个请求创建一个新的Goroutine进行处理。处理函数会读取请求参数,并根据请求调用相应的方法。处理完请求后,服务器将回复信息进行序列化,并通过TCP连接发送回客户端。服务器端的处理函数必须使用锁进行同步,因为RPC库为每个请求创建了一个新的Goroutine。处理函数需要读取请求参数并修改回复信息,因此需要确保并发访问的安全性。

    go 复制代码
    type KV struct {
    	mu   sync.Mutex // 互斥锁,保护数据并发访问
    	data map[string]string
    }
    
    func server() {
    	kv := &KV{data: map[string]string{}} // 创建键值存储服务器实例
    	rpcs := rpc.NewServer()              // 创建一个 RPC 服务器
    	rpcs.Register(kv)                    // 注册 kv 为 RPC 服务器的服务对象
    	l, e := net.Listen("tcp", ":1234")   // 监听 TCP 端口 1234
    	if e != nil {
    		log.Fatal("listen error:", e)
    	}
    	go func() { // 启动一个协程来处理客户端连接
    		for {
    			conn, err := l.Accept() // 接受客户端连接
    			if err == nil {
    				go rpcs.ServeConn(conn) // 启动一个协程来为客户端提供服务
    			} else {
    				break
    			}
    		}
    		l.Close() // 关闭监听器
    	}()
    }
    
    // Get 方法用于处理客户端发送的 Get 请求,获取指定键的值。
    func (kv *KV) Get(args *GetArgs, reply *GetReply) error {
    	kv.mu.Lock()
    	defer kv.mu.Unlock()
    
    	reply.Value = kv.data[args.Key]
    
    	return nil
    }
    
    // Put 方法用于处理客户端发送的 Put 请求,存储键值对。
    func (kv *KV) Put(args *PutArgs, reply *PutReply) error {
    	kv.mu.Lock()
    	defer kv.mu.Unlock()
    
    	kv.data[args.Key] = args.Value
    
    	return nil
    }
  • 客户端(Client)

    在客户端,首先需要使用Dial函数建立与服务器的TCP连接。然后,客户端需要定义RPC请求的参数结构体和回复结构体,并实现对应的处理函数。客户端通过调用Call函数发起RPC调用,指定连接、函数名称、参数以及存放回复的位置。RPC库负责对参数进行序列化,并将请求发送给服务器。然后,客户端等待并接收服务器的回复,并将回复反序列化为指定的回复结构体。Call函数的返回值指示是否成功接收到了回复,通常还包括服务级别的错误信息。

    go 复制代码
    // connect 函数用于与键值存储服务器建立连接,并返回一个 RPC 客户端对象。
    func connect() *rpc.Client {
    	client, err := rpc.Dial("tcp", ":1234") // 使用 TCP 协议连接服务器
    	if err != nil {
    		log.Fatal("dialing:", err) // 如果连接失败,则记录错误并终止程序
    	}
    	return client
    }
    
    func get(key string) string {
    	client := connect()                         // 建立连接
    	args := GetArgs{key}                        // 构造 Get 请求的参数
    	reply := GetReply{}                         // 准备接收服务器的响应
    	err := client.Call("KV.Get", &args, &reply) // 调用远程方法 Get,并传递参数 args,将响应写入 reply
    	if err != nil {
    		log.Fatal("error:", err)
    	}
    	client.Close()     // 关闭连接
    	return reply.Value // 返回服务器返回的值
    }
    
    // put 函数用于向键值存储服务器发送 Put 请求,存储键值对。
    func put(key string, val string) {
    	client := connect()
    	args := PutArgs{key, val}
    	reply := PutReply{}
    	err := client.Call("KV.Put", &args, &reply)
    	if err != nil {
    		log.Fatal("error:", err)
    	}
    	client.Close()
    }

其他细节:

  • 绑定(Binding):客户端如何知道要与哪台服务器通信?

    在Go的RPC中,服务器的名称和端口是Dial函数的参数。在大型系统中,通常会有一种名称或配置服务器来管理这些信息。

  • 序列化(Marshalling):数据格式化为数据包。Go的RPC库可以传递字符串、数组、对象、映射等类型的数据。Go通过复制指向的数据来传递指针,但不能传递通道或函数。RPC库只序列化导出字段(即大写字母开头的字段)。

4.3 处理RPC中的失败

在分布式系统中,网络故障和服务器故障是不可避免的。简单的解决方案是"尽力而为"的RPC,即在超时后重试请求,但这可能导致重复操作。

这种方法的缺点是,重试请求可能导致操作被重复执行。例如:

go 复制代码
client.Put("k", 10)
client.Put("k", 20)

如果第二个Put请求因网络故障重试多次,可能会导致不一致的结果:

更好的解决方案是"至多一次"的RPC,"至多一次"的RPC通过以下机制实现更可靠的行为:

  • 客户端在未收到响应时重新发送请求。
  • 服务器检测重复请求,并返回之前的响应,而不是重新执行处理函数。

为了检测重复请求,客户端在每个请求中包含一个唯一的ID(XID)。每个请求使用相同的 XID 重新发送服务器:

if seen[xid] {
  reply = old[xid]
} else {
  reply = handler()
  old[xid] = reply
  seen[xid] = true
}

一些"至多一次"复杂性问题:

  • 如果两个客户端使用相同的XID?

    • 解决方案:使用大随机数生成唯一ID。
  • 如何避免seen[xid]表过大?

    • 每个客户端有一个唯一ID,使用序列号。
    • 客户端在每次RPC中包含"已见到的最大回复"信息,类似于TCP序列号和确认号。
  • 服务器崩溃和重启:

    • 如果"至多一次"信息保存在内存中,服务器重启后将忘记这些信息,可能会接受重复请求。

      解决方案:将重复检测信息写入磁盘,或使用复制服务器同步这些信息。

Go的RPC库是"至多一次"策略的简单实现:

  • 打开TCP连接。
  • 将请求写入TCP连接。
  • Go RPC从不重发请求,因此服务器不会看到重复请求。
  • 如果未收到回复,Go RPC代码返回错误(可能是由于TCP超时)。

关于"恰好一次"的RPC

"恰好一次"的RPC包括无限重试、重复检测和容错服务,这种方法更复杂,在实际系统中需要实现容错机制。

例如,lab 4中将探讨"恰好一次"RPC的实现。

5 FAQ

  1. Go通道是如何工作的?Go如何确保它们在多个goroutines之间同步?

    可以在这里查看源码,尽管不易理解。高层次上,通道是一个包含缓冲区和锁的结构体。发送到通道涉及获取锁,等待(可能释放CPU)直到某个线程接收,并交付消息。接收涉及获取锁并等待发送者。可以使用Go的sync.Mutex和sync.Cond自己实现通道。

  2. 我使用通道唤醒另一个goroutine,通过在通道上发送一个虚拟的bool值。但如果另一个goroutine已经在运行(因此没有在通道上接收),发送goroutine会阻塞。我应该怎么做?

    尝试使用条件变量(Go的sync.Cond)而不是通道。条件变量非常适合通知可能(或可能不)等待某事的goroutines。由于通道是同步的,如果不确定通道另一端是否有goroutine在等待,使用通道会显得很尴尬。

  3. 如何让一个goroutine等待来自多个不同通道的输入?如果没有任何内容可读取,则尝试在任何一个通道上接收都会阻塞,从而阻止 goroutine 检查其他通道。

    尝试为每个通道创建一个单独的goroutine,每个goroutine阻塞在其通道上。这不是总能实现,但在可行时通常是最简单的方法。否则,尝试使用Go的select。

  4. 什么时候应该使用sync.WaitGroup而不是通道?反之亦然?

    WaitGroup用途较为特殊;它仅在等待一堆活动完成时有用。通道用途更广泛;例如,可以通过通道传递值。尽管比WaitGroup需要多写几行代码,但也可以使用通道等待多个goroutines。

  5. 如何创建一个通过互联网连接的Go通道?如何指定用于发送消息的协议?

    Go通道仅在单个程序内工作;通道不能用于与其他程序或计算机通信。可以查看Go的RPC包,它允许你通过互联网与其他Go程序通信:

    https://golang.org/pkg/net/rpc/

  6. 一些重要/有用的Go特定并发模式有哪些?

    这是一个关于该主题的幻灯片,由Go专家编写:

    https://talks.golang.org/2012/concurrency.slide

  7. 切片是如何实现的?

    切片是一个对象,包含指向数组的指针以及该数组的开始和结束索引。这种安排允许多个切片共享一个底层数组,每个切片可能暴露数组元素的不同范围。这里有一个更详细的讨论:

    https://blog.golang.org/go-slices-usage-and-internals

    Go切片比Go数组更灵活,因为数组的大小是其类型的一部分,而以切片作为参数的函数可以接受任何长度的切片。

  8. 什么时候使用同步RPC调用,什么时候使用异步RPC调用?

    大多数代码需要在继续执行前获得RPC回复;在这种情况下,使用同步RPC是合理的。但有时客户端希望启动许多并发RPC;在这种情况下,异步可能更好。或者客户端希望在等待RPC完成时做其他工作,可能是因为服务器很远(所以光速时间很高)或因为服务器可能不可达,从而RPC经历长时间的超时。我(Robert)从未在Go中使用异步RPC。当我想发送RPC但不必等待结果时,我创建一个goroutine,并让这个goroutine进行同步Call()。

  9. 开发人员在开始使用Go时常见的问题有哪些?

    以下是一些常见问题:

  • 未在并发访问时使用锁保护映射。使用Go的竞态检测器!
  • 使用通道时的死锁。
  • 在创建goroutine时未捕获变量。
  • 泄漏的goroutines。
  1. Go是否支持继承?(像Java/C++那样的"扩展"方式?)

    Go不支持C++风格的继承,但有接口和嵌入结构体,可以完成在C++中使用继承的许多事情。这是Go设计中备受争议的部分;可以搜索"golang generics"。

  2. 我对选择值接收器或指针接收器仍有些困惑。能否提供一些具体的实际例子说明我们应该选择哪一个?

    当你想修改接收器的状态时,必须使用指针接收器。如果结构体非常大,你可能想使用指针接收器,因为值接收器操作的是一个副本。如果两者都不适用,可以使用值接收器。然而,要小心使用值接收器;例如,如果结构体中有一个互斥锁,你不能将其作为值接收器,因为互斥锁会被复制,从而失去其作用。

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