Go开发指南- Goroutine

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(1)Go开发指南-Hello World

(2)Go开发指南-Gin与Web开发

(3)Go开发指南-Goroutine

Goroutine

在java中我们要实现并发编程的时候,通常要自己维护一个线程池,并且需要去包装任务、调度任务和维护上下文切换。这个过程需要消耗大量的精力。

Go语言中有一种机制,可以让系统自动把任务分配到CPU上实现并发执行,而不需要人工去管理这些任务。这就是goroutine。

Goroutine类似于线程,但比线程更轻量,可以称之为协程。它由运行时(runtime)调度和管理,自动进行上下文切换,这也是go被称之为现代化编程语言的原因。

使用Goroutine

Go中使用goroutine非常简单,只需要在调用函数的时候加上go关键字。一个goroutine必定对应一个函数,可以创建多个goroutine去执行相同的函数。

下面是一个示例:

go 复制代码
func hello() {
	fmt.Println("Hello Goroutine!")
}
func main() {
	hello()
	fmt.Println("main goroutine done!")
}

这个例子中hello函数和主函数中的打印信息是串行的。

先将hello函数改成goroutine的:

go 复制代码
func main() {
    go hello() // 启动另外一个goroutine去执行hello函数
    fmt.Println("main goroutine done!")
}

再次执行会发现只打印main goroutine done!。这是因为main函数本身是在一个默认的goroutine中执行的,当main函数结束时,此goroutine运行结束,在main函数中启动的其他goroutine也会随之退出。

修改main函数:

go 复制代码
unc main() {
    go hello() // 启动另外一个goroutine去执行hello函数
    fmt.Println("main goroutine done!")
    time.Sleep(time.Second)
}

此时再次执行就会再次打印两条信息了。

启动多个goroutine

在go中,可以同时启动多个goroutine:

go 复制代码
package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

var wg sync.WaitGroup

func hello(i int) {
	defer wg.Done() // goroutine结束就登记-1
	fmt.Println("Hello Goroutine!", i)
}
func main() {

	for i := 0; i < 10; i++ {
		wg.Add(1) // 启动一个goroutine就登记+1
		go hello(i)
	}
	wg.Wait() // 等待所有登记的goroutine都结束
}

这里使用sync.WaitGroup来实现goroutine的同步。

执行代码,会发现10个协程并发打印信息,并且顺序是随机的(goroutine调度是随机的)。

Goroutine与线程

一个goroutine的栈内存在生命周期开始时只有2KB,但可以按需增大和缩小,最大可达到1GB。

GPM是go语言运行时(runtime)层面的实现,是go语言自己实现的一套调度系统,区别于操作系统调度线程。

事实上,GPM并不是官方术语,而是开发者用来概括go的并发模型的三大核心组件的:Goroutine、Processor、Machine。

Goroutine拥有自己的栈和上下文,其切换由运行时调度器管理,不依赖于操作系统的线程管理,因此比传统线程更轻量。

Processor表示逻辑处理器,管理着goroutine的队列,并负责调度goroutine到可用的machine上执行。P的数量决定了可以同时运行多个goroutine,可通过runtime.GOMAXPROCS设置(最大256),默认与CPU核数相等。

Machine表示内核线程(或系统线程),是在操作系统层面上执行任务的线程。Go运行时会将goroutine绑定到M上运行。换句话说,M负责实际执行P中的goroutine。当M在运行goroutine时,可以根据情况继续运行该goroutine,也可以将其切换出去以运行其他goroutine。

GMP示意图:

从线程调度讲,Go语言相比其他语言的优势在于goroutine是由go运行时自己调度的。这个调度器使用一个被称为m:n调度的技术,即将m个goroutine调度到n个OS线程上。其一大特点是goroutine的调度是在用户态下完成的,不涉及内核态与用户态之间频繁切换,包括内存的分配与释放,成本比调度OS线程低很多。

channel

很多场景下并发地协程之间是需要互相通信的,比如经典的并发同步问题:用两个协程交替打印奇数和偶数,这时候就要在两个协程之间互相通信,来保证打印的顺序。 Go通过channel实现协程间的通信。

共享内存也可以进行数据交换,但是共享内存容易出现并发安全问题,为了保证数据的准确性,需要使用互斥量对内存进行加锁,造成额外的性能消耗。

Channel 是有类型的管道,遵循先进先出的规则,保证数据的顺序。Channel 采用关键字chan 加上类型做声明,赋值取值采用符号<-

Channel是引用类型,默认为nil。

go 复制代码
var ch chan int 
fmt.Println(ch)  // 输出为<nil>

声明的通道需要使用使用make函数初始化之后才能使用:

go 复制代码
ch := make(chan int)

channel操作

channel有发送,接收和关闭三种操作。如下所示:

func test(ch chan<- int) {
	ch <- 10
	close(ch)
}

func main() {
	ch := make(chan int)
	go test(ch)
	fmt.Println(<-ch)
}

channel是有方向的,chan 是一个双向通道,既可以发送数据,也可以从中接收数据。chan<- 是一个单向通道,只能往其中发送数据。<-chan表示这是一个单向通道,只能往外取数据。

关闭通道并不是必须的,而是可以让系统自动垃圾回收。需要关闭通道的情况:明确知道没有更多的数据会被发送到通道时,可以关闭通道。关闭通道可以让接收方在读取所有数据后,通过检测到通道的关闭信号,安全地停止接收数据。

关闭后的通道有以下特点:

  • 对一个关闭的通道发送数据会导致panic。
  • 对一个关闭的通道接收数据会正常获取,如果通道里没有值了,会获取到对应类型的零值。
  • 重复关闭通道会导致panic。

一般只有发送方才会主动关闭通道。

无缓冲channel和缓冲channel

无缓冲channel

无缓冲channel又称为阻塞channel,如下所示:

go 复制代码
func main() {
	ch := make(chan int)
	ch <- 10
	fmt.Println("send success")
}

这段代码可以编译通过,但是执行会报错:all goroutines are asleep - deadlock!。原因是这是一个无缓冲channel,只有数据发送方,但是没有接收方,代码会在ch <- 10 阻塞住,形成死锁。

添加一个接收方解决死锁问题:

go 复制代码
func recv(ch chan int) {
	ret := <-ch
	fmt.Println("recv success", ret)
}

func main() {
	ch := make(chan int)
	go recv(ch)
	ch <- 10
	fmt.Println("send success")
}

无缓冲通道上的发送操作会阻塞,直到另一个goroutine在该通道上执行接收操作,这时才能发送成功,两个goroutine将继续执行。相反,如果接收操作先执行,接收方的goroutine将阻塞,直到另一个goroutine在该通道上发送一个值。这与阻塞队列的工作方式是类似的。

使用无缓冲通道进行通信将导致发送和接收的goroutine同步化。因此,无缓冲通道也被称为同步通道。

有缓冲channel

下面创建一个有缓冲的channel:

go 复制代码
func main() {
	ch := make(chan int, 1)
	ch <- 10
	fmt.Println("send success")
}

只要channel的容量大于零,则就是一个有缓冲的通道。

遍历通道

go 复制代码
func main() {
	ch1 := make(chan int)
	ch2 := make(chan int)

	go func() {
		for i := 0; i < 100; i++ {
			ch1 <- i
		}
		close(ch1)
	}()  // 匿名函数

	go func() {
		for {
			i, ok := <-ch1 // if ok = false, it means the channel is closed
			if !ok {
				break
			}
			ch2 <- i * i
		}
		close(ch2)
	}() // 匿名函数

	for i := range ch2 { // the for struct will exits when channel is closed
		fmt.Println(i)
	}
}

select

select是Go中的关键字,可以同时响应多个channel的操作。其使用类似于switch语句,有一系列case

分支和一个默认的分支。每个case会对应一个通道的通信过程。select会一直等待,直到某个case的通信操作完成时,就会执行case分支对应的语句。如下所示:

go 复制代码
func test1(ch chan string) {
	time.Sleep(time.Second * 5)
	ch <- "test1"
}

func test2(ch chan string) {
	time.Sleep(time.Second * 2)
	ch <- "test2"
}

func main() {
	output1 := make(chan string)
	output2 := make(chan string)
	go test1(output1)
	go test2(output2)
	select {
	case s1 := <-output1:
		fmt.Println("s1=", s1)
	case s2 := <-output2:
		fmt.Println("s2=", s2)
	}
}

在这个例子中,只要任何一个通道的通信完成,就会执行对应的case分支。如果多个channel同时ready,会随机选择一个执行。

参考资料

[1]. https://go.dev/doc/tutorial/

[2].https://www.topgoer.com/并发编程/channel.html

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