Go并发模型：流水线与取消（Pipelines and cancellation译文）

Posted 2022-11-22 -_-void

Go并发模型：流水线与取消 (Go Concurrency Patterns: Pipelines and cancellation)

本文不只是简单的翻译，有些地方根据自己的理解用中文习惯重新组织了语言，所以可能会有局部的顺序不同，但是读起来更通顺。所以如果对文中任何部分有疑问可以直接体温，保证知无不言。

英文原版: https://blog.golang.org/pipelines

简介

go语言的并发机制可以使CPU及IO更高效的处理数据流。本文展示几个例子来介绍下流水线以及执行操作失败时的细节，还有处理异常时所用的技术。

流水线是啥

在go里面并没有对流水线的正式定义，它就是各种并发程序。通俗来说，一个流水线就是通过channel连接的一组stage，每个stage就是运行着同一function的一组goroutine。这些goroutine完成如下任务

• 从已绑定的输入channel中读取上游数据
• 处理读到的数据，通常会产生新的数据
• 将新的数据发送到已绑定的输出channel

第一个stage只有输入channel，最后一个stage只有输出channel，其他每个stage都有若干个输入输出channel。第一个stage有时被称为srouce或者producer，称最后一个stage为sink或consumer

下面从一个简单的例子开始，之后还有其他相关的例子。

数字做平方

假设有一个包含三个stage的流水线。

第一个stage是一个叫gen的function，它把参数中传进来的数字list在goroutine中放进channel并返回这个channel，在所有的数字发完之后关闭这个channel：

func gen(nums ...int) <-chan int 
    out := make(chan int)
    go func() 
        for _, n := range nums 
            out <- n
        
        close(out)
    ()
    return out

第二个stage是个叫sq的function，它从一个channel中读取数字，然后把数字做平方之后输出给另一个channel，返回值就是这个新的channel，同样会在处理完成后关闭channel：

func sq(in <-chan int) <-chan int 
    out:= make(chan int)
    go func() 
        for n := range in 
            out <- n*n
        
        close(out)
    ()
    return out

最后是main方法，建立起流水线并充当第三个stage。即从channel中读取数字并挨个print：

func main() 
    // 建立流水线
    c := gen(2, 3)
    out := sq(c)
    
    // print结果
    fmt.Println(<-out)
    fmt.Println(<-out)

由于sq的输入跟输出是同类型的channel，所以我们可以让它嵌套一下。当然这个main也可以写成上面两个stage风格：

func main() 
    for n := range sq(sq(gen(2, 3))) 
        fmt.Println(n)
    

扇入(fan-in)，扇出(fan-out)

扇入指的是在一个function中处理多个输入channel并将结果输出到一个输出channel，并在所有输入channel关闭后关闭输出channel。扇出就是一个channel可以作为多个function的输入channel，这就相当于有多个worker分发处理同一组任务。现在我们来调整一下流水线，让平方操作分发给两个sq实例，当然所以sq实例共享同一个输入channel。然后我们还需要一个新的function来扇入这些数据，就叫merge吧。首先调整一下main：

func main() 
    in := gen(2, 3)
    
    c1 := sq(in)
    c2 := sq(in)
    
    for n := range merge(c1, c2) 
        fmt.Println(n)
    

merge方法中给每个输入channel起个goroutine来读数据，然后放进同一个输出channel，另外还需要一个goroutine等所有的输入channel关闭后关闭输出channel

func merge(cs ...<-chan int) <-chan int 
    // 用来等待输入channel的wg
    var wg sync.WaitGroup
    // 唯一的输出channel
    out := make(chan int)
    
    // 将处理输入的func定义成变量
    output := func(c <-chan int) 
        for n := range c 
            out <- n
        
        wg.Done()
    
    // 等待数跟输入channel数一样
    wg.Add(len(cs))
    // 为每个输入channel开goroutine
    for _, c := range cs 
        go output(c)
    
    
    // 开goroutine进行等待与关闭输出channel
    go func() 
        wg.Wait()
        close(out)
    ()
    // 返回输出channel
    return out

急停(stoping short)

上面离职中的流水线有如下两个模式：

• stage执行完所有的发送操作后关闭输出channel
• stage在输入channel关闭前持续读取数据

这种模式允许每个stage在接收数据时可以用range循环，并且保证每个goroutine在将所有的数据成功发送给下游之后立即退出。但是实际用到的流水线，stage不一定总是接收所有的输入数据，这跟设计有关。例如有时候stage只需要输入数据的一部分子集就可以完成任务。很多时候stage还会提前退出，比如上游的stage传进来一个error。还有中情况是stage已经不需要再接收数据了，并且这种情况下还希望上游stage不在继续产生下游不需要的数据。在上面的例子中，如果有个stage出错不能在消费输入channel的数据，那么这个channel的发送端将会永久阻塞：

// 消费中的第一条数据
out := merge(c1, c2)
fmt.Println(<-out)
return
// 从此不再消费第二条及之后的数据，这样想往out发数据的地方就会阻塞

这显然会导致协程泄露，goroutine使用的cpu等运行时资源，还有它自己的堆栈里的数据也不会被GC回收。注意goroutine是没有回收机制的，他们只能自己退出。如果pipeline中的下游stage不能再继续消费数据，那么我们需要让上游的stage知道并作出响应(退出或其他操作)。我们可以给channel加缓冲区，当缓冲区还有空间的时候向channel发送数据就不会阻塞：

c := make(chan int, 2)
c <- 1 // 直接发送
c <- 2 // 直接发送
c <- 3 // 如果channel另一头没消费前面的数据，这里会一直阻塞，直到缓冲区有空位

如果可以事先直到要处理的数据量，那就可以直接用带缓冲区的channel来简化代码。拿上面的例子来说，现在可以直接重写gen方法，有了缓冲区甚至可以不开新的goroutine了：

func gen(nums ...int) <-chan int 
    out := make(chan int, len(nums))
    for _, n := range nums 
        out <- n
    
    close(out)
    return out

同样需要给在merge中返回的channel加个缓冲区避免被下游阻塞：

func merge(cs ...<-chan int) <-chan int 
   // 只展示被修改这行代码，其他地方不动
   //out := make(chan int)
   out := make(chan int, 1) // 在这里写个足够大的值来存放没有被消费的数据

虽然这样做“解决了”goroutine阻塞的问题，但这其实不是正解。这里设置的缓冲区的大小“1”依赖于已知merge方法能接到多少数据以及下游的stage能消费多少。这在健壮性上差点意思，如果给gen加了点可选数据，或者说下游需要的数据变少时，仍然会有goroutine阻塞。所以我们需要找到一种方法让下游的stage可以把自己准备停止消费数据的消息“告诉”上游。

明确取消(explicit cancellation)

当main决定不接受输入channel的剩余数据时，它必须通知上游的stage来丢弃还没发送的数据。可以通过加一个channel来实现，可以称它为done，由于上游有两个发送方，所以需要给done发两个数据：

func main() 
    in := gen(2,3)
    c1 := sq(in)
    c2 := sq(in)
    
    done := make(chan interface, 2)
    out := merge(done, c1, c2)
    fmt.Println(<-out)
    
    // 通知发送方
    done <- struct
    done <- struct

然后他的发送方需要用select来调整一下逻辑，select中用两个case分别对应向out发数据以及从done收数据。done中的数据类型为空struct是因为其值不需要被关心，起作用的是有或者没有。如下修改之后，这个output所在的goroutine就可以继续for循环，就不会阻塞它的上游stage了。（后面会继续说怎么让这个循环早点退出，毕竟下游都不要数据了，这里空跑也没意义）

func merge(done <-chan struct, cs ...<-chan int) <-chan int 
    // 其他代码不变，这里只写output这段
    output := func(c <-chan int) 
        for n := range c 
            select 
            case out <- n:
            case <-done:
            
        
        wg.Done()
    

这种解决办法有个弊端：每个下游的接收方都需要知道会被它阻塞的上游发送方的数量，以及挨个给他们发送结束的信号，持续维护这个数目比较蛋疼而且容易出错。因此需要一种方式来告知不可预知的goroutine来停止发送数据，在go里可以通过关闭channel来实现。因为从已关闭的channel读数据会立即读到一个该类型的零值数据。这就意味着main可以通过关闭done通道来非阻塞的通知所有上游，这样一来关闭操作就成了非常高效的广播。现在可以扩展一下流水线里的每个function，让他们多接受一个done参数，然后在main中通过defer来调用close，这样main无论在什么情况下退出都会向上游stage发送退出信号。

func main() 
    // 上面说的比较清楚了，这里不放注释了
    done := make(chan struct)
    defer close(done)
    
    in := gen(done, 2, 3)
    
    c1 := sq(done, in)
    c2 := sq(doen, in)
    
    out := merge(done, c1, c2)
    fmt.Println(<-out)

然后再调整一下merge，这次放上完整的代码

func merge(cs ...<-chan int) <-chan int 
    // 用来等待输入channel的wg
    var wg sync.WaitGroup
    // 唯一的输出channel
    //out := make(chan int)
    out := make(chan int, 1) // 在这里写个足够大的值来存放没有被消费的数据
    
    // 将处理输入的func定义成变量
    output := func(c <-chan int) 
        // 本次改动：done以defer形式调用，放在函数开头
        defer wg.Done()
        for n := range c 
            select 
            case out <- n:
            case <-done:
                // 本次改动：加上return，done之后直接退出
                return
            
        
    
    // 等待数跟输入channel数一样
    wg.Add(len(cs))
    // 为每个输入channel开goroutine
    for _, c := range cs 
        go output(c)
    
    
    // 开goroutine进行等待与关闭输出channel
    go func() 
        wg.Wait()
        close(out)
    ()
    // 返回输出channel
    return out

上面代码中做了“本次改动”之后就可以在收到done消息时结束方法，并调用waitGroup的done方法。现在整个流水线中的每个stage都是独立的自由退出的（即收到done被关闭消息时直接退出）。同时merge中的每个output所在goroutine，可以在收到close消息时不管上游数据是否还有剩余就直接退出。

类似的sq方法也可以在收到close消息时立即退出，并且可以通过defer来保证关闭输出channel：

func sq(done <-chan struct, int <-chan int) <-chan int 
    out := make(chan int)
    go func() 
        defer close(out)
        for n := range in 
            select 
            case out <- n*n:
            case <-done:
                return
            
        
    ()
    return out

关于流水线有这样两条规则：

• stage在所有的数据发送完成之后，关闭输出channel
• stage应该持续从输入channel接收数据，除非这些channel关闭或者发送方是非阻塞式的。（非阻塞式的发送方：比如发了10条数据，channel的缓冲区也为10）

总的来说，流水线中让发送方stage不阻塞的方式有两种，一个是让channel有足够的buffer，另一个就是接收方显示通知发送方不需要继续发数据了。

多路处理

再来看一个更实际的流水线。

MD5是是一种摘要算法，文件校验和通常用MD5。md5sum这个命令可以同时处理多个文件：

% md5sum *.go
d47c2bbc28298ca9befdfbc5d3aa4e65  bounded.go
ee869afd31f83cbb2d10ee81b2b831dc  parallel.go
b88175e65fdcbc01ac08aaf1fd9b5e96  serial.go

这里用的例子跟md5sum差不多，但接收的参数是一个目录，然后打印目录下的每个文件的摘要值，并且按名称排序。

% go run serial.go .
d47c2bbc28298ca9befdfbc5d3aa4e65  bounded.go
ee869afd31f83cbb2d10ee81b2b831dc  parallel.go
b88175e65fdcbc01ac08aaf1fd9b5e96  serial.go

main方法中用到的是MD5All这个方法，它可以返回一个map，文件名作为key，摘要作为value：

func main() 
    // 计算路径下所有文件的sum，然后按文件名排序输出
    m, err := MD5ALL(os.Args[1])
    if err != nil 
        fmt.Println(err)
        return
    

    var paths []string
    for path := range m 
        paths = append(paths, path)
    
    
    sort.Strings(paths)
    for _, path := range paths 
        fmt.Printf("%x %s\\n",m[path], path)
    

先来看下serial.go中的MD5All，这里是没用到并发的，只是简单的挨个读文件然后计算：

// MD5All读取root下所有文件，返回一个map，map的key是文件名，value是文件的md5。如果发生错误会返回一个error
func MD5All(root string) (map[string][md5.Size]byte, error) 
    m := make(map[string][md5.Size]byte)
    err := filepath.Walk(root, func(path string, info os.FIleInfo, err error) error
        if err != nil 
            return err
        
        if !info.Mode().IsRegular() 
            return nil
        
        data, err := ioutil.ReadFile(path)
        if err != nil 
            return err
        
        m[path] = md5.Sum(data)
        return nil
    )
    if err != nil 
        return nik, err
    
    return m, nil

并行处理

而在parallel.go文件中将MD5All拆分成了包含俩stage的流水线。第一个stage叫sumFiles，用来遍历并为每个文件开新的goroutine来计算摘要，然后将结果发给输出channel。先看下这个result的定义：

type result struct 
    path string
    sum [md5.Size]byte
    err error

sumFiles返回两个channel，一个用来传递result，另一个传递filepath.Walk产生的error。walk里面会给每个文件开新的goroutine来读文件与计算摘要，然后检查done这个channel。如果done关闭了，walk会立即停止：

func sumFiles(done <-chan struct, root string) (<-chan result, <-chan error) 
    // 给每个常规文件开独立的goroutine来处理，之后把result发送到c这个channel
    // walk产生的error发送到errc这个channel
    c := make(chan result)
    errc := make(chan error, 1)
    go func() 
        var wg sync.WaitGroup
        err := filepath.Walk(root, func(path string, info os.FileInfo, err error) error 
            if err != nil 
                return err
            
            if !info.Mode().IsRegular() 
                return nil
            
            wg.Add(1)
            go func() 
                data, err := ioutil.ReadFile(path)
                select 
                case c <- resultpath, md5.Sum(data), err:
                case <-done:
                
                wg.Done()
            ()
            // 如果done已经close了，终止walk这个方法
            select 
                case <-done:
                    return errors.New("walk canceled")
                delfault:
                    return nil
            
        )
        // 代码运行到这，说明walk方法已经return了，也就意味着所有的`wg.Add(1)`都执行了。因此在这里开一个goroutine来执行等待，就可以保证在所有的`wg.Done()`执行后再关闭c这个channel
        go func() 
            wg.Wait()
            close(c)
        ()
        // 这里不用select，因为errc定义时就给了大小为1的缓冲区
        errc <- err
    ()
    return c, errc

MD5All从c这个channel中接收摘要结果，如果有error会提前return。done这个channel的关闭时通过defer的方式执行的：

func MD5All(root string) (map[string][md5.Size]byte, error) 
    // done会在方法return时关闭，方法返回时可能并没有处理完c及errc通道中的全部数据。
    done := make(chan struct)
    defer close(done)
    
    c, errc := sumFiles(done, root)
    
    m := make(map[string][md5.Size]byte)
    for r := range c 
        if r.err != nil 
            return nik, r.err
        
        m[r.path] = r.sum
    
    if err := <-errc; err != nil 
        return nil, err
    
    return m, nil

有限并行(Bounded parallelism)

上面带并行的MD5All方法给每个文件都开goroutine去处理，但是如果这个文件中有很多大文件的话，这可能会比较耗内存。所以需要限制并行处理的文件数量。在bounded.go中设置了一个变量来作为goroutine数最大值，这样一来流水线就成了3个stage：遍历文件、读文件与计算摘要、汇总摘要。第一个stage负责产出文件path：

func walkFiles(done <-chan struct, root string) (<-chan string, <-chan error) 
    pahts := make(chan string)
    errc := make(chan error, 1)
    go func() 
        // walk结束时关闭paths这个channel
        defer close(paths)
        // errc带了缓冲区，所以这里不需要用select
        errc <- filepath.Walk(root, func(path string, info os.FileInfo, err error) error 
            if err != nil 
                return err
            
            if !info.Mode().IsRegular() 
                return nil
            
            select 
                case paths <- path:
                case <-done:
                    return errors.New("walk canceled")
            
            return nil
        )
    ()
    return paths, errc

第二个stage是预设数量的goroutine来从paths通道读取文件路径，处理之后将result从c通道发送出去，这个stage可以命名为digester：

func digester(done <-chan struct, paths <-chan string, c <-chan result) 
    for paths := range paths 
        data, err := iotuil.ReadFile(path)
        select 
        case c <- resultpath, md5.Sum(data), err:
        case <-done:
            return
        
    

digester跟之前的例子不一样，它不会主动关闭输出channel。这个channel是多个goroutine在同时向其发送数据的。所以它是在MD5All中将其中数据消费之后再关闭的：

// 被`digester`们共享的输出channel
c := make(chan result)
// 用来等待所有的`digester`完成
var wg sync.WaitGroup
// 用来指定`digester`的最大数量
const numDigesters = 20
wg.Add(numDigesters)
// 启动指定数量的`digester`
for i := 0; i < numDigesters; i++ 
    go func() 
        digester(done, paths, c)
        wg.Done()
    ()

// 在所有digester完成之后关闭共享通道
go func() 
    wg.Wait()
    close(c)

实际上也可以让每个digester创建独立的输出channel，但这样的话就需要再加一个goroutine来扇入(fan-in)这些输出channel了。最后一个stage就是从c这个共享channel中读取所有的result，以及检查errc里的error。这个检查操作不会提前执行，因为这样的话walkFiles可能会阻塞下游的stage。

m := make(map[string][md5.Size]byte)
for r := range c 
    if r.err != nil 
        return nil, r.err
    
    m[r.path] = r.sum

if err := <-errc; err != nil 
    return nil, err

return m, nil

总结

本文主要介绍了在go语言中构建数据流水线，在流水线中每个stage处理异常可能会阻塞下游的stage，下游的stage也有可能不需要后续的上游数据。文中介绍了通过关闭done通道来向所有stage“广播”消息以及正确的定义流水线。