Golang入门：并发

Posted 2022-12-13 inet_ygssoftware

Golang入门（4）：并发

摘要

并发程序指同时进行多个任务的程序，随着硬件的发展，并发程序变得越来越重要。Web服务器会一次处理成千上万的请求，这也是并发的必要性之一。Golang的并发控制比起Java来说，简单了不少。在Golang中，没有多线程这一说法，只有协程，而新建一个协程，仅仅只需要使用go关键字。而且，与Java不同的是，在Golang中不以共享内存的方式来通信，而是以通过通信的方式来共享内存。这方面的内容也比较简单。

1 线程与协程

在Golang中，并发是以协程的方式实现的。

在Java中，我们常常提到线程池，多线程这些概念。然而，在Golang中的协程，和这些是不一样的。所以在本文中，先对这几个概念进行区分。

简单来说，进程和线程是由操作系统进行调度的，协程是对内核透明，由程序自己调度的。不仅如此，Golang的协程所占用的内存空间极小，也就是说，协程更加的轻量。此外，协程的切换一般由程序员在代码中显式控制，而不是交给操作系统去调度。它避免了上下文切换时的额外耗费，兼顾了多线程的优点，简化了高并发程序的复杂。

至于别的，本文不进行深入的研究，本文的基调还是以入门为主，即怎么去用。

2 goroutine

简单来说，我们所编写的Golang源代码全部都跑在goroutine中。

我们只需要使用go关键字，就可以启动一个goroutine。

package main
import "fmt"

func f(msg string) 
    fmt.Println(msg)


func main()
    go f("hello goroutine")

至于其余的事情，就交给Golang的runtime了，Go的runtime负责对goroutine进行调度。简单的来讲，调度就是决定哪个goroutine将获得资源开始执行、哪个goroutine应该停止执行让出资源、哪个goroutine应该被唤醒恢复执行等。

我们下面写个小例子，来看看Golang如何编写并发的小程序：

package main

import (
    "io"
    "log"
    "net"
    "time"
)

func main() 
    listener, err := net.Listen("tcp", "localhost:8000")
    if err != nil 
        log.Fatal(err)
    

    for 
        conn, err := listener.Accept()
        if err != nil 
            log.Print(err) // 假设出现了错误
            continue
        
        handleConn(conn) // 处理连接
    


func handleConn(c net.Conn) 
    defer c.Close()
    for 
        _, err := io.WriteString(c, time.Now().Format("15:04:05\\n"))
        if err != nil 
            return // 连接关闭，则停止执行
        
        time.Sleep(1 * time.Second)
    

简单解释一下，这个来自于这里的小例子中，我们监听了本地8000端口的TCP连接。然后，当有连接过来的时候，每隔一秒将当前的时间打印在屏幕上。

在Windows中，我们可以使用curl命令来测试：

curl 127.0.0.1:8000

效果如下：

但是问题来了，如果我们再打开一个CMD窗口，去建立一个TCP连接，是失败的。除非将原来的那个连接中断，Golang才能接受新的连接。不然，新的连接将一直被阻塞。

可以看到，如果同时启动两个连接，只有一个连接可以提供打印时间的服务，另一个连接将被阻塞：

这时，将第一个连接中断，则第二个连接才可以进行打印：

在这个时候，我们只需要在调用handleConn(conn)这个函数之前，加上go的关键字，就可以实现并发了。

部分代码如下：

for 
        conn, err := listener.Accept()
        if err != nil 
            log.Print(err) // 假设出现了错误
            continue
        
        go handleConn(conn) // 处理连接
    

随后，我们就可以处理多个连接了：

所以，在Golang中实现并发，就是这么的简单。我们需要做的，就是在调用需要创建协程的函数前面，加上go关键字。

3 channel

注意，在Golang的并发中有一项很重要的特性，不要以共享内存的方式来通信，相反，要通过通信来共享内存。

这里说到的通信方式，指得就是channel，信道。

Channel是Go中的一个核心类型，我们可以把理解为是一种指定了大小和容量的管道。我们可以在这个管道的一边放入数据，在另一半拿出数据。举个简单的例子：

package main

import "fmt"

func main() 
   
   messages := make(chan string)

   go func()  messages <- "ping" ()

   msg := <-messages
   fmt.Println(msg)

在这里需要说明几点：

• 信道需要使用make的方式创建，除了能够指定类型，还能在第二个参数指定容量，否则默认为1，也就是说这是一个同步信道
• 消息的传递和获取必须成对出现，传数据用channel <- data，取数据用<- channel。
• 信道是会阻塞的，而且不管传还是取，必阻塞，直到另外的goroutine传或者取为止。
• 对于阻塞，可以理解为是一个管道中已经有了东西，那么只有管道为空了，才能继续工作

4 range

对于上面提到的信道操作，存在这么几个问题：

• 应该何时停止等待数据？
• 还会有更多的数据么，还是所有内容都已经传输完成？
• 我应该继续等待还是该做别的了？

当然，我们可以选择不断检查信道，直到他关闭为止。

但是我们有更加优雅的解决方案。使用range关键字，使用在channel上时，会自动等待channel的动作一直到channel被关闭。下面来看一个小例子，这个例子来源于简书：

package main                                                                                             
import (
    "fmt"
    "time"
    "strconv"
)

func makeCakeAndSend(cs chan string, count int) 
    for i := 1; i <= count; i++ 
        cakeName := "Strawberry Cake " + strconv.Itoa(i)
        cs <- cakeName //将蛋糕送入cs
    
    close(cs)


func receiveCakeAndPack(cs chan string) 
    for s := range cs 
        fmt.Println("Packing received cake: ", s)
    


func main() 
    cs := make(chan string)
    go makeCakeAndSend(cs, 5)
    go receiveCakeAndPack(cs)

    //让程序不会马上结束，以达到查看输出结果的目的
    time.Sleep(3 * 1e9)

在这里，我们定义了一个同步信道。

在制作蛋糕的过程中，我们使用了一个for循环，不断的将蛋糕送入cs中。

注意，这里因为是同步信道，所以并不是将五个蛋糕全部制作完，再全部一起接收的，而是制作一个，接受一个。

最后，我们关闭这个信道，随后range发现信道被关闭，于是结束。这也就实现了接收器不知道具体需要接收多少个蛋糕的情况下，能够自动结束的功能。

5 select

select关键字用在有多个信道的情况下。

他的目的是为了提高系统的效率，而不至于在某一个信道阻塞的情况下，不知道该干什么。

select中会有case代码块，用于发送或接收数据。语法如下：

select 
case i := <-c:
    //...
case ...
default:
    //...

注意，每一个case，必须是一个信道IO指令，default命令块不是必须。

规律如下：

• 如果任意一个case代码块准备好发送或接收，执行对应内容
• 如果多余一个case代码块准备好发送或接收，随机选取一个并执行对应内容
• 如果任何一个case代码块都没有准备好，等待
• 如果有default代码块，并且没有任何case代码块准备好，执行default代码块对应内容

我们还是以上面做蛋糕为例，但是这次可以同时做草莓味和巧克力味的蛋糕了：

package main

import (
	"fmt"
	"strconv"
	"time"
)

func makeCakeAndSend(cs chan string, flavor string, count int) 
	for i := 1; i <= count; i++ 
		cakeName := flavor + "蛋糕 " + strconv.Itoa(i)
		cs <- cakeName //send a strawberry cake
	
	close(cs)


func receiveCakeAndPack(strbry_cs chan string, choco_cs chan string) 
	strbry_closed, choco_closed := false, false

	for 
		//如果两个信道都关闭了，说明制作完成，结束程序
		if (strbry_closed && choco_closed)  return 
		fmt.Println("等待新蛋糕 ...")
		select 
		case cakeName, strbry_ok := <-strbry_cs:
			if (!strbry_ok) 
				strbry_closed = true
				fmt.Println(" ... 草莓信道关闭")
			 else 
				fmt.Println("在草莓信道中收到一个新蛋糕。名为：", cakeName)
			
		case cakeName, choco_ok := <-choco_cs:
			if (!choco_ok) 
				choco_closed = true
				fmt.Println(" ... 巧克力信道关闭")
			 else 
				fmt.Println("在巧克力信道中收到一个新蛋糕。名为：", cakeName)
			
		
	


func main() 
	strbry_cs := make(chan string)
	choco_cs := make(chan string)

	//two cake makers
	go makeCakeAndSend(choco_cs, "巧克力", 3)  //制作3个巧克力蛋糕，然后发送
	go makeCakeAndSend(strbry_cs, "草莓", 3)  //制作3个草莓蛋糕，然后发送

	//one cake receiver and packer
	go receiveCakeAndPack(strbry_cs, choco_cs)  //收获

	//查看结果
	time.Sleep(2 * 1e9)

在这里，因为我们是不知道哪种口味的蛋糕已经被制作完成的，所以我们使用了select。只要这个case被激活了，那么就会完成后面的代码。也就是说，当某种口味的蛋糕被制作完成之后，就会被收取。

注意，我们这里使用的多个返回值

case cakeName, strbry_ok := <- strbry_cs

第二个返回值是一个bool类型，当其为false时说明channel被关闭了。如果是true，说明有一个值被成功传递了。

我们使用可以这个值来判断是否应该停止等待。

写在最后

至此，《Golang入门》系列已经结束。谢谢你能够看到这里。