【Go系列】 Goroutine和Channel

承上启下

在前面的文章中，我们介绍的内容和其他的高级编程语言都一样，而今天这篇要介绍的Goroutine和Channel应该就是Go语言的核心了。语言和语言之间的差异性不大，但是为什么Go语言能够异军突起，除了它的跨平台编译性以外，goroutine和channel应该是很重要的一个原因。Goroutine我们可以简单地理解成C#上的Coroutine或者说是Python的协程，也可以认为是thread，但是它却没有对应的控制句柄，没法直接thread.close或者stop这种方法。这就是它的机制区别，我们今天这篇文章会重点介绍一下。

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我们都知道线程是CPU调度的单位，CPU的时间片是分配给各个线程进行使用的，而切换线程时，就需要保存上一个线程的现场，加载下一个线程的现场，然后再开始运行。这就叫做上下文切换，这块内容由寄存器，程序计数器等模块实现。今天介绍的Goroutine实际上是运行的，它也是一种线程，但是它是一种轻量级线程，它的上下文是由go runtime实现的，我们接下来详细介绍一下。

Goroutine

Goroutine是Go语言实现并发编程的基础。它是一种轻量级的线程，由Go运行时（runtime）管理。以下是Goroutine的一些特点：

轻量级：Goroutine的栈是动态分配的，初始大小很小，通常是2KB，并且在需要时可以扩展和收缩，这使得创建和销毁Goroutine的成本非常低。
高效：由于Goroutine的轻量级特性，一个Go程序可以轻松创建数以万计的Goroutine。
简单易用 ：在Go中，只需使用go关键字即可启动一个新的Goroutine。例如：
```
go funcName(params)
```
或者直接在函数调用前加上go：
```
go func(params) {
    // 执行代码
}(args)
```
调度：Goroutine的调度是由Go运行时管理的，它使用了一种称为M:N调度的技术，其中M个操作系统线程可以映射到N个Goroutine。

和其他高级语言的区别：

Goroutine、Java线程、C#的Coroutine以及Python的协程都是各自编程语言中用于并发执行的机制，但它们在实现细节和用法上有所不同。以下是它们之间的主要区别：

Goroutine (Go)

轻量级：Goroutine非常轻量，初始栈大小通常为2KB，并且栈的大小可以根据需要动态调整。
调度：Goroutine的调度是由Go的运行时（runtime）管理的，使用M:N调度模型，即多个Goroutine可能会映射到少量的OS线程上。
通信：Goroutine之间通过Channel进行通信，这提供了一种基于消息传递的并发模型，减少了锁的使用。
栈管理：Goroutine的栈是自动管理的，可以根据需要动态扩展和收缩。

Java线程

重量级：Java线程是操作系统的原生线程，每个线程都会占用较大的内存空间，通常为1MB。
调度：Java线程的调度是由JVM和操作系统共同管理的，通常采用1:1调度模型，即每个Java线程直接映射到一个OS线程。
同步：Java线程通常使用synchronized关键字、锁（如ReentrantLock）和并发工具类（如Semaphore、CountDownLatch）进行同步。
栈管理：Java线程的栈大小是固定的，在创建线程时需要指定，通常默认为1MB。

C#的Coroutine (Unity中常用)

协作式：Coroutine是一种特殊的函数，它在执行过程中可以暂停并在未来的某个时间点恢复，它依赖于Unity引擎的协同程序调度器。
控制流 ：Coroutine通过yield return语句来暂停执行，并在下一次迭代或特定事件发生时恢复。
调度：Coroutine通常用于Unity游戏开发中，以实现更平滑的游戏循环和资源管理，它们不是操作系统级别的线程。
并发：Coroutine不是真正的并发执行，它们是单线程的，但在Unity引擎中可以用来模拟并发行为。

Python的协程

协作式 ：Python的协程是使用async/await语法实现的，它们也是协作式的，可以在等待I/O操作时让出控制权。
异步I/O：Python的协程非常适合处理异步I/O操作，可以有效地提高I/O密集型应用程序的性能。
调度：Python的协程通常由事件循环（如asyncio）管理，而不是由操作系统线程调度。
并发：虽然Python的协程在单个线程内执行，但它们可以与事件循环一起使用，以实现并发行为。

与线程对比

Goroutine和线程是两种不同的并发执行单元，它们在概念、实现和用法上都有显著的区别。以下是Goroutine和线程之间的详细比较：

调度和管理

线程：线程是由操作系统（OS）管理的执行单元。在大多数操作系统中，线程的调度是抢占式的，操作系统负责决定哪个线程在何时运行，以及运行多长时间。
Goroutine：Goroutine是由Go语言的运行时（runtime）管理的轻量级执行单元。Go运行时使用协作式调度，Goroutine会在执行某些操作（如I/O、Channel操作、等待锁等）时主动让出CPU，让其他Goroutine运行。

资源开销

线程：线程通常有较大的内存占用，因为每个线程都有自己的堆栈空间（例如，在Linux上通常是8MB）。线程的数量受限于系统的内存大小和CPU核心数。
Goroutine：Goroutine非常轻量，初始栈大小通常为2KB，并且栈的大小可以根据需要动态调整。一个Go程序可以轻松创建数以万计的Goroutine。

创建和销毁开销

线程：创建和销毁线程的开销相对较大，因为涉及到与操作系统交互。
Goroutine：Goroutine的创建和销毁非常快速和廉价，因为它们是由Go运行时管理的，并且不需要与操作系统进行交互。

同步机制

线程：线程通常使用锁（如互斥锁、读写锁）、条件变量、信号量等同步机制来控制对共享资源的访问。
Goroutine：Goroutine推荐使用Channel进行通信，这鼓励了一种基于消息传递的并发模型，而不是传统的共享内存模型。虽然Goroutine也可以使用锁，但Channel通常是首选的同步方式。

栈空间

线程：线程的栈空间通常是固定的，在创建线程时就需要指定。
Goroutine：Goroutine的栈是动态分配的，可以根据需要动态扩展和收缩，这进一步减少了内存的使用。

状态和上下文切换

线程：线程的上下文切换涉及到保存和恢复寄存器状态、程序计数器等，这是一个相对昂贵的操作。
Goroutine：Goroutine的上下文切换通常更轻量，因为它们是在用户空间内由Go运行时管理的。

系统调用

线程：线程可以执行任何系统调用，包括阻塞调用。
Goroutine：Goroutine在执行系统调用时，可能会阻塞整个线程。为了解决这个问题，Go运行时会将阻塞的系统调用转换为非阻塞调用，并在必要时启动新的线程。

并行与并发

线程：线程可以实现真正的并行计算，特别是在多核处理器上，每个线程可以在不同的CPU核心上同时运行。
Goroutine：Goroutine本身不是并行执行的，但Go运行时可以将Goroutine调度到不同的线程上，从而在多核处理器上实现并行计算。

Channel

Channel是Go语言用于在Goroutine之间进行通信的机制。它是Go并发模型的重要组成部分。

定义：Channel是Go中的一种特殊类型，用于在不同的Goroutine之间传递值。

创建：使用make函数创建Channel，可以指定Channel的类型和容量。例如：

ch := make(chan int)       // 无缓冲的整型Channel
ch := make(chan int, 10)   // 有缓冲的整型Channel，容量为10

发送和接收 ：使用<-操作符在Channel上发送和接收数据。例如：
```
ch <- value   // 发送值到Channel
value := <-ch // 从Channel接收值
```
同步：Channel的发送和接收操作默认是阻塞的，直到另一端准备好。这使得Goroutine可以在不使用锁或其他同步机制的情况下进行通信。
关闭：可以使用close函数关闭Channel。关闭后的Channel不能再发送数据，但可以继续接收已发送的数据。
范围循环 ：可以使用for range循环从Channel中读取数据，直到Channel被关闭。
```
for value := range ch {
    // 处理value
}
```

为什么channel是并发安全

在Go语言中，Channel是并发安全的，这是因为其设计确保了在多个Goroutine之间进行通信时不会发生数据竞争。以下是Channel并发安全性的几个关键点：

内置同步机制

Channel的操作（发送和接收）是同步的。这意味着当一个Goroutine向Channel发送数据时，它会阻塞直到另一个Goroutine从该Channel接收数据。同样，当Goroutine从Channel接收数据时，它会阻塞直到有数据可以接收。这种同步机制确保了一次只有一个Goroutine可以访问Channel中的数据，从而避免了并发访问的问题。

通信顺序保证

Channel保证了数据传输的顺序性。发送到Channel的数据会按照发送的顺序被接收。这种顺序性意味着Goroutine不会看到不一致的状态，因为它们总是按照特定的顺序处理数据。

原子操作

Channel的操作（发送、接收和关闭）是不可分割的原子操作。这意味着这些操作在执行过程中不会被中断，从而保证了操作的完整性。例如，发送操作包括将数据放入Channel和通知接收方，这两个步骤是作为一个单一的操作执行的。

数据所有权转移

当一个值被发送到一个Channel时，该值的所有权从发送方转移到了接收方。这种所有权的转移避免了多个Goroutine同时拥有相同数据的问题，因为任何时候只有一个Goroutine可以拥有Channel中的数据。

缓冲与无缓冲Channel

无缓冲Channel：无缓冲Channel在发送和接收之间没有存储空间。这意味着发送操作必须等待接收操作，反之亦然。这种设计确保了在数据交换时Goroutine之间的同步。
缓冲Channel：即使是有缓冲的Channel，其内部实现也通过锁或其他同步机制来保护数据结构，确保并发访问时的安全性。当缓冲区满时，发送操作会阻塞，直到有空间可用；当缓冲区为空时，接收操作会阻塞，直到有数据可以接收。

关闭Channel的安全性

关闭Channel的操作也是安全的。当Channel被关闭时，所有阻塞的接收操作都会立即返回一个零值，并且发送操作会收到一个错误，表明Channel已被关闭。这种机制确保了在Channel关闭后，所有相关的Goroutine都能优雅地处理这种情况。

Goroutine和Channel的结合

Goroutine和Channel通常一起使用，以实现高效和简洁的并发编程模式。以下是一个简单的例子，展示了如何在Goroutine之间使用Channel进行通信：

func main() {
    message := make(chan string)

    go func() {
        message <- "Hello, World!"
    }()

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

在这个例子中，我们创建了一个字符串类型的Channel message，然后启动了一个Goroutine来发送消息。主Goroutine等待接收这个消息，并将其打印出来。

通过Goroutine和Channel的结合，Go语言提供了一种优雅的并发编程方式，使得开发者能够轻松地处理复杂的并发任务。

为什么不提供Goroutine句柄

Go语言的设计哲学鼓励使用通信（通过Channel）来共享内存，而不是通过共享内存来通信。这种设计选择影响了许多并发编程的模式，包括Goroutine的退出机制。以下是为什么Go倾向于使用Channel而不是提供句柄来控制Goroutine退出的几个原因：

通信顺序进程（CSP）

Go语言受到通信顺序进程（Communicating Sequential Processes，CSP）的影响，这是一种并发计算模型，它强调通过消息传递进行进程间通信，而不是共享状态。Channel是实现这一模型的核心组件，因此使用Channel来控制Goroutine的退出是Go语言设计哲学的自然延伸。

更清晰的并发模型

使用Channel来控制Goroutine的退出可以使并发模型更加清晰和一致。Goroutine通过Channel接收信号来决定何时退出，这样可以明确地表达它们之间的依赖关系和通信模式。

避免共享状态

如果提供句柄（例如引用或标识符）来控制Goroutine，那么就需要一种机制来修改或检查这个句柄的状态，这通常涉及到共享内存。共享内存可能导致竞态条件，需要额外的同步机制（如锁）来管理，这会增加程序的复杂性和出错的可能性。

简化资源管理

使用Channel可以让Goroutine在完成工作后自然地退出，而不是被迫等待一个外部信号。这有助于简化资源管理，因为Goroutine可以在不再需要时立即释放资源。

安全性和封装性

通过Channel控制Goroutine的退出可以更好地封装内部状态和行为。Goroutine可以决定何时以及如何响应退出信号，而不是由外部实体直接控制其生命周期。这有助于保持Goroutine的独立性和安全性。