Go 语言快速入门——并发编程

发表于 2020-02-07 更新于 2023-11-05 分类于编程基础知多少阅读次数：本文字数： 12k 阅读时长 ≈ 11 分钟

Go 语言并发编程

并发编程

Go语言的并发通过goroutine实现。goroutine类似于线程，属于用户态的线程，我们可以根据需要创建成千上万个goroutine并发工作。goroutine是由Go语言的运行时（runtime）调度完成，而线程是由操作系统调度完成。

Go语言还提供channel在多个goroutine间进行通信。goroutine和channel是 Go 语言秉承的 CSP（Communicating Sequential Process）并发模式的重要实现基础。

1、goroutine

在java/c++中我们要实现并发编程的时候，我们通常需要自己维护一个线程池，并且需要自己去包装一个又一个的任务，同时需要自己去调度线程执行任务并维护上下文切换，这一切通常会耗费程序员大量的心智。那么能不能有一种机制，程序员只需要定义很多个任务，让系统去帮助我们把这些任务分配到CPU上实现并发执行呢？

Go语言中的goroutine就是这样一种机制，goroutine的概念类似于线程，但 goroutine是由Go的运行时（runtime）调度和管理的。Go程序会智能地将 goroutine 中的任务合理地分配给每个CPU。Go语言之所以被称为现代化的编程语言，就是因为它在语言层面已经内置了调度和上下文切换的机制。

在Go语言编程中你不需要去自己写进程、线程、协程，你的技能包里只有一个技能–goroutine，当你需要让某个任务并发执行的时候，你只需要把这个任务包装成一个函数，开启一个goroutine去执行这个函数就可以了，就是这么简单粗暴。

使用 goroutine

Go语言中使用goroutine非常简单，只需要在调用函数的时候在前面加上go关键字，就可以为一个函数创建一个goroutine。

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。

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

// goroutine

func hello(i int) {
	fmt.Println("hello", i)
}

// 程序启动之后会创建一个主goroutine去执行
func main() {
	for i := 0; i < 1000; i++ {
		// go hello(i) // 开启一个单独的goroutine去执行hello函数（任务）
		go func(i int) {
			fmt.Println(i) // 用的是函数参数的那个i，不是外面的i
		}(i)
	}
	fmt.Println("main")
	time.Sleep(time.Second)
	// main函数结束了 由main函数启动的goroutine也都结束了
}

2、WaitGroup 同步

package main

import (
	"fmt"
	"math/rand"
	"sync"
	"time"
)

// waitGroup

func f() {
	rand.Seed(time.Now().UnixNano())
	for i := 0; i < 5; i++ {
		r1 := rand.Int()    // int64
		r2 := rand.Intn(10) // 0<= x < 10
		fmt.Println(0-r1, 0-r2)
	}
}

func f1(i int) {
	defer wg.Done()
	time.Sleep(time.Second * time.Duration(rand.Intn(3)))
	fmt.Println(i)
}

var wg sync.WaitGroup

func main() {
	// f()
	// wg.Add(10)
	for i := 0; i < 10; i++ {
		wg.Add(1)
		go f1(i)
	}
	// ?如何知道这10个goroutine都结束了
	// time.Sleep(?)
	wg.Wait() // 等待wg的计数器减为0
}

3、goroutine 调度模型 GMP

可增长的栈

OS线程（操作系统线程）一般都有固定的栈内存（通常为2MB）,一个goroutine的栈在其生命周期开始时只有很小的栈（典型情况下2KB），goroutine的栈不是固定的，他可以按需增大和缩小，goroutine的栈大小限制可以达到1GB，虽然极少会用到这个大。所以在Go语言中一次创建十万左右的goroutine也是可以的。

goroutine 调度

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OS线程。

G很好理解，就是个goroutine的，里面除了存放本goroutine信息外还有与所在P的绑定等信息。

P管理着一组goroutine队列，P里面会存储当前goroutine运行的上下文环境（函数指针，堆栈地址及地址边界），P会对自己管理的goroutine队列做一些调度（比如把占用CPU时间较长的goroutine暂停、运行后续的goroutine等等）当自己的队列消费完了就去全局队列里取，如果全局队列里也消费完了会去其他P的队列里抢任务。
M（machine）是Go运行时（runtime）对操作系统内核线程的虚拟， M与内核线程一般是一一映射的关系，一个groutine最终是要放到M上执行的；

P与M一般也是一一对应的。他们关系是： P管理着一组G挂载在M上运行。当一个G长久阻塞在一个M上时，runtime会新建一个M，阻塞G所在的P会把其他的G 挂载在新建的M上。当旧的G阻塞完成或者认为其已经死掉时回收旧的M。

P的个数是通过runtime.GOMAXPROCS设定（最大256），Go1.5版本之后默认为物理线程数。在并发量大的时候会增加一些P和M，但不会太多，切换太频繁的话得不偿失。

单从线程调度讲，Go语言相比起其他语言的优势在于OS线程是由OS内核来调度的，goroutine则是由Go运行时（runtime）自己的调度器调度的，这个调度器使用一个称为m:n调度的技术（复用/调度m个goroutine到n个OS线程）。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的频繁切换，包括内存的分配与释放，都是在用户态维护着一块大的内存池，不直接调用系统的malloc函数（除非内存池需要改变），成本比调度OS线程低很多。另一方面充分利用了多核的硬件资源，近似的把若干goroutine均分在物理线程上，再加上本身goroutine的超轻量，以上种种保证了go调度方面的性能。

package main

import (
	"fmt"
	"runtime"
	"sync"
)

// GOMAXPROCS
var wg sync.WaitGroup

func a() {
	defer wg.Done()
	for i := 0; i < 10; i++ {
		fmt.Printf("A:%d\n", i)
	}
}

func b() {
	defer wg.Done()
	for i := 0; i < 10; i++ {
		fmt.Printf("B:%d\n", i)
	}
}

func main() {
	runtime.GOMAXPROCS(1) // 默认CPU的逻辑核心数，默认跑满整个CPU
	fmt.Println(runtime.NumCPU())
	wg.Add(2)
	go a()
	go b()
  wg.Wait()
}

4、channel

单纯地将函数并发执行是没有意义的。函数与函数间需要交换数据才能体现并发执行函数的意义。

虽然可以使用共享内存进行数据交换，但是共享内存在不同的goroutine中容易发生竞态问题。为了保证数据交换的正确性，必须使用互斥量对内存进行加锁，这种做法势必造成性能问题。

Go语言的并发模型是CSP（Communicating Sequential Processes），提倡通过通信共享内存而不是通过共享内存而实现通信。

如果说goroutine是Go程序并发的执行体，channel就是它们之间的连接。channel是可以让一个goroutine发送特定值到另一个goroutine的通信机制。

Go 语言中的通道（channel）是一种特殊的类型。通道像一个传送带或者队列，总是遵循先入先出（First In First Out）的规则，保证收发数据的顺序。每一个通道都是一个具体类型的导管，也就是声明channel的时候需要为其指定元素类型。

通道的定义

1	var b chan int // 需要指定通道中元素的类型

通道必须使用make函数初始化才能使用!!!

1	make(chan 元素类型, [缓冲大小])

通道的操作

发送 : ch1 <- 1
接收: <- ch1
关闭:close()

package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

var a []int
var b chan int // 需要指定通道中元素的类型
var wg sync.WaitGroup

func noBufChannel() {
	fmt.Println(b)     // nil
	b = make(chan int) // 不带缓冲区通道的初始化
	wg.Add(1)
	go func() {
		defer wg.Done()
		x := <-b
		fmt.Println("后台goroutine从通道b中取到了", x)
	}()

	b <- 10 // hang住了
	fmt.Println("10发送到通道b中了...")
	wg.Wait()
}

func bufChannel() {
	fmt.Println(b)         // nil
	b = make(chan int, 10) // 带缓冲区通道的初始化
	b <- 10                // hang住了
	fmt.Println("10发送到通道b中了...")
	b <- 20
	fmt.Println("20发送到通道b中了...")
	x := <-b
	fmt.Println("从通道b中取到了", x)
	close(b)
}
func main() {
	noBufChannel()
}

单向通道：有的时候我们会将通道作为参数在多个任务函数间传递，很多时候我们在不同的任务函数中使用通道都会对其进行限制，比如限制通道在函数中只能发送或只能接收。

package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

// channel练习
// 1. 启动一个goroutine,生成100个数发送到ch1
// 2. 启动一个goroutine,从ch1中取值,计算其平方放到ch2中
// 3. 在main中 从ch2取值打印出来

var wg sync.WaitGroup

func f1(ch1 chan<- int) { //只能进
	defer wg.Done()
	for i := 0; i < 100; i++ {
		ch1 <- i
	}
	close(ch1)
}

func f2(ch1 <-chan int, ch2 chan<- int) { // ch1 只能出
	defer wg.Done()
	for {
		x, ok := <-ch1
		if !ok {
			break
		}
		ch2 <- x * x
	}
	close(ch2)
}

func main() {
	a := make(chan int, 100)
	b := make(chan int, 100)
	wg.Add(2)
	go f1(a)
	go f2(a, b)
	wg.Wait()
	for ret := range b {
		fmt.Println(ret)
	}
}

select多路复用

在某些场景下我们需要同时从多个通道接收数据。通道在接收数据时，如果没有数据可以接收将会发生阻塞。你也许会写出如下代码使用遍历的方式来实现：

for{
    // 尝试从ch1接收值
    data, ok := <-ch1
    // 尝试从ch2接收值
    data, ok := <-ch2
    …
}

这种方式虽然可以实现从多个通道接收值的需求，但是运行性能会差很多。为了应对这种场景，Go内置了select关键字，可以同时响应多个通道的操作。

select的使用类似于switch语句，它有一系列case分支和一个默认的分支。每个case会对应一个通道的通信（接收或发送）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。具体格式如下：

select{
    case <-ch1:
        ...
    case data := <-ch2:
        ...
    case ch3<-data:
        ...
    default:
        默认操作
}

举个小例子来演示下select的使用：

func main() {
	ch := make(chan int, 1)
	for i := 0; i < 10; i++ {
		select {
		case x := <-ch:
			fmt.Println(x)
		case ch <- i:
		}
	}
}

使用select语句能提高代码的可读性。

可处理一个或多个channel的发送/接收操作。
如果多个case同时满足，select会随机选择一个。
对于没有case的select{}会一直等待，可用于阻塞main函数。

通道异常总结：

channel	nil	非空	空了	满了	没满
接收	阻塞	接收值	阻塞	接收值	接收值
发送	阻塞	发送值	发送值	阻塞	发送值
关闭	panic	关闭成功，读完数据后返回零值	关闭成功，返回零值	关闭成功，读完数据后返回零值	关闭成功，读完数据后返回零值

并发安全与锁

有时候在Go代码中可能会存在多个goroutine同时操作一个资源（临界区），这种情况会发生竞态问题（数据竞态）。类比现实生活中的例子有十字路口被各个方向的的汽车竞争；还有火车上的卫生间被车厢里的人竞争。

举个例子：

var x int64
var wg sync.WaitGroup

func add() {
	for i := 0; i < 5000; i++ {
		x = x + 1
	}
	wg.Done()
}
func main() {
	wg.Add(2)
	go add()
	go add()
	wg.Wait()
	fmt.Println(x)
}

上面的代码中我们开启了两个goroutine去累加变量x的值，这两个goroutine在访问和修改x变量的时候就会存在数据竞争，导致最后的结果与期待的不符。

1、互斥锁

互斥锁是一种常用的控制共享资源访问的方法，它能够保证同时只有一个goroutine可以访问共享资源。Go语言中使用sync包的Mutex类型来实现互斥锁。使用互斥锁来修复上面代码的问题：

var x int64
var wg sync.WaitGroup
var lock sync.Mutex

func add() {
	for i := 0; i < 5000; i++ {
		lock.Lock() // 加锁
		x = x + 1
		lock.Unlock() // 解锁
	}
	wg.Done()
}
func main() {
	wg.Add(2)
	go add()
	go add()
	wg.Wait()
	fmt.Println(x)
}

使用互斥锁能够保证同一时间有且只有一个goroutine进入临界区，其他的goroutine则在等待锁；当互斥锁释放后，等待的goroutine才可以获取锁进入临界区，多个goroutine同时等待一个锁时，唤醒的策略是随机的。

2、读写互斥锁

互斥锁是完全互斥的，但是有很多实际的场景下是读多写少的，当我们并发的去读取一个资源不涉及资源修改的时候是没有必要加锁的，这种场景下使用读写锁是更好的一种选择。读写锁在Go语言中使用sync包中的RWMutex类型。

读写锁分为两种：读锁和写锁。当一个goroutine获取读锁之后，其他的goroutine如果是获取读锁会继续获得锁，如果是获取写锁就会等待；当一个goroutine获取写锁之后，其他的goroutine无论是获取读锁还是写锁都会等待。

读写锁示例：

var (
	x      int64
	wg     sync.WaitGroup
	lock   sync.Mutex
	rwlock sync.RWMutex
)

func write() {
	// lock.Lock()   // 加互斥锁
	rwlock.Lock() // 加写锁
	x = x + 1
	time.Sleep(10 * time.Millisecond) // 假设读操作耗时10毫秒
	rwlock.Unlock()                   // 解写锁
	// lock.Unlock()                     // 解互斥锁
	wg.Done()
}

func read() {
	// lock.Lock()                  // 加互斥锁
	rwlock.RLock()               // 加读锁
	time.Sleep(time.Millisecond) // 假设读操作耗时1毫秒
	rwlock.RUnlock()             // 解读锁
	// lock.Unlock()                // 解互斥锁
	wg.Done()
}

func main() {
	start := time.Now()
	for i := 0; i < 10; i++ {
		wg.Add(1)
		go write()
	}

	for i := 0; i < 1000; i++ {
		wg.Add(1)
		go read()
	}

	wg.Wait()
	end := time.Now()
	fmt.Println(end.Sub(start))
}

需要注意的是读写锁非常适合读多写少的场景，如果读和写的操作差别不大，读写锁的优势就发挥不出来。

3、sync.WaitGroup

在代码中生硬的使用time.Sleep肯定是不合适的，Go语言中可以使用sync.WaitGroup来实现并发任务的同步。 sync.WaitGroup有以下几个方法：

方法名	功能
(wg * WaitGroup) Add(delta int)	计数器+delta
(wg *WaitGroup) Done()	计数器-1
(wg *WaitGroup) Wait()	阻塞直到计数器变为0

sync.WaitGroup内部维护着一个计数器，计数器的值可以增加和减少。例如当我们启动了N 个并发任务时，就将计数器值增加N。每个任务完成时通过调用Done()方法将计数器减1。通过调用Wait()来等待并发任务执行完，当计数器值为0时，表示所有并发任务已经完成。

我们利用sync.WaitGroup将上面的代码优化一下：

var wg sync.WaitGroup

func hello() {
	defer wg.Done()
	fmt.Println("Hello Goroutine!")
}
func main() {
	wg.Add(1)
	go hello() // 启动另外一个goroutine去执行hello函数
	fmt.Println("main goroutine done!")
	wg.Wait()
}

需要注意sync.WaitGroup是一个结构体，传递的时候要传递指针。

4、sync.Once(进阶)

在编程的很多场景下我们需要确保某些操作在高并发的场景下只执行一次，例如只加载一次配置文件、只关闭一次通道等。

Go语言中的sync包中提供了一个针对只执行一次场景的解决方案–sync.Once。

sync.Once只有一个Do方法，其签名如下：

1	func (o *Once) Do(f func()) {}

备注：如果要执行的函数f需要传递参数就需要搭配闭包来使用。

加载配置文件示例

延迟一个开销很大的初始化操作到真正用到它的时候再执行是一个很好的实践。因为预先初始化一个变量（比如在init函数中完成初始化）会增加程序的启动耗时，而且有可能实际执行过程中这个变量没有用上，那么这个初始化操作就不是必须要做的。我们来看一个例子：

var icons map[string]image.Image

func loadIcons() {
	icons = map[string]image.Image{
		"left":  loadIcon("left.png"),
		"up":    loadIcon("up.png"),
		"right": loadIcon("right.png"),
		"down":  loadIcon("down.png"),
	}
}

// Icon 被多个goroutine调用时不是并发安全的
func Icon(name string) image.Image {
	if icons == nil {
		loadIcons()
	}
	return icons[name]
}

多个goroutine并发调用Icon函数时不是并发安全的，现代的编译器和CPU可能会在保证每个goroutine都满足串行一致的基础上自由地重排访问内存的顺序。loadIcons函数可能会被重排为以下结果：

func loadIcons() {
	icons = make(map[string]image.Image)
	icons["left"] = loadIcon("left.png")
	icons["up"] = loadIcon("up.png")
	icons["right"] = loadIcon("right.png")
	icons["down"] = loadIcon("down.png")
}

在这种情况下就会出现即使判断了icons不是nil也不意味着变量初始化完成了。考虑到这种情况，我们能想到的办法就是添加互斥锁，保证初始化icons的时候不会被其他的goroutine操作，但是这样做又会引发性能问题。

使用sync.Once改造的示例代码如下：

var icons map[string]image.Image

var loadIconsOnce sync.Once

func loadIcons() {
	icons = map[string]image.Image{
		"left":  loadIcon("left.png"),
		"up":    loadIcon("up.png"),
		"right": loadIcon("right.png"),
		"down":  loadIcon("down.png"),
	}
}

// Icon 是并发安全的
func Icon(name string) image.Image {
	loadIconsOnce.Do(loadIcons)
	return icons[name]
}

并发安全的单例模式

下面是借助sync.Once实现的并发安全的单例模式：

package singleton

import (
    "sync"
)

type singleton struct {}

var instance *singleton
var once sync.Once

func GetInstance() *singleton {
    once.Do(func() {
        instance = &singleton{}
    })
    return instance
}

sync.Once其实内部包含一个互斥锁和一个布尔值，互斥锁保证布尔值和数据的安全，而布尔值用来记录初始化是否完成。这样设计就能保证初始化操作的时候是并发安全的并且初始化操作也不会被执行多次。

5、sync.Map

Go语言中内置的map不是并发安全的。请看下面的示例：

var m = make(map[string]int)

func get(key string) int {
	return m[key]
}

func set(key string, value int) {
	m[key] = value
}

func main() {
	wg := sync.WaitGroup{}
	for i := 0; i < 20; i++ {
		wg.Add(1)
		go func(n int) {
			key := strconv.Itoa(n)
			set(key, n)
			fmt.Printf("k=:%v,v:=%v\n", key, get(key))
			wg.Done()
		}(i)
	}
	wg.Wait()
}

上面的代码开启少量几个goroutine的时候可能没什么问题，当并发多了之后执行上面的代码就会报fatal error: concurrent map writes错误。

像这种场景下就需要为map加锁来保证并发的安全性了，Go语言的sync包中提供了一个开箱即用的并发安全版map–sync.Map。开箱即用表示不用像内置的map一样使用make函数初始化就能直接使用。同时sync.Map内置了诸如Store、Load、LoadOrStore、Delete、Range等操作方法。

var m = sync.Map{}

func main() {
	wg := sync.WaitGroup{}
	for i := 0; i < 20; i++ {
		wg.Add(1)
		go func(n int) {
			key := strconv.Itoa(n)
			m.Store(key, n)
			value, _ := m.Load(key)
			fmt.Printf("k=:%v,v:=%v\n", key, value)
			wg.Done()
		}(i)
	}
	wg.Wait()
}

6、原子操作

代码中的加锁操作因为涉及内核态的上下文切换会比较耗时、代价比较高。针对基本数据类型我们还可以使用原子操作来保证并发安全，因为原子操作是Go语言提供的方法它在用户态就可以完成，因此性能比加锁操作更好。Go语言中原子操作由内置的标准库sync/atomic提供。