golang并发介绍

Posted 2021-01-01 qhdsavoki

概述

简而言之，所谓并发编程是指在一台处理器上“同时”处理多个任务。

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。平板电脑和手机app在渲染用户画面同时还会后台执行各种计算任务和网络请求。即使是传统的批处理问题--读取数据，计算，写输出--现在也会用并发来隐藏掉I/O的操作延迟以充分利用现代计算机设备的多个核心。计算机的性能每年都在以非线性的速度增长。

宏观的并发是指在一段时间内，有多个程序在同时运行。

并发在微观上，是指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个程序指令被快速的轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但在微观上并不是同时执行的，只是把时间分成若干段，使多个程序快速交替的执行。

并行和并发

并行(parallel)：指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行。

并发(concurrency)：指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速的轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但在微观上并不是同时执行的，只是把时间分成若干段，通过cpu时间片轮转使多个进程快速交替的执行。

大师曾以咖啡机的例子来解释并行和并发的区别。

•  并行是两个队列同时使用两台咖啡机 （真正的多任务）
•  并发是两个队列交替使用一台咖啡机 （ 假 的多任务）

 

常见并发编程技术

进程并发

程序和进程

程序，是指编译好的二进制文件，在磁盘上，不占用系统资源(cpu、内存、打开的文件、设备、锁....)

进程，是一个抽象的概念，与操作系统原理联系紧密。进程是活跃的程序，占用系统资源。在内存中执行。(程序运行起来，产生一个进程)

程序 → 剧本(纸) 进程 → 戏(舞台、演员、灯光、道具...)

同一个剧本可以在多个舞台同时上演。同样，同一个程序也可以加载为不同的进程(彼此之间互不影响)

如：同时开两个终端。各自都有一个bash但彼此ID不同。

在windows系统下，通过查看“任务管理器”，可以查看相应的进程。包括我们在基础班写的“飞机大战”等程序，运行起来后也可以在“任务管理器”中查看到。运行起来的程序就是一个进程。如下图所示：

 

 

 

进程状态

 

进程基本的状态有5种。分别为初始态，就绪态，运行态，挂起态与终止态。其中初始态为进程准备阶段，常与就绪态结合来看。

进程并发

在使用进程 实现并发时会出现什么问题呢？

 1：系统开销比较大，占用资源比较多，开启进程数量比较少。

 2：在unix/linux系统下，还会产生“孤儿进程”和“僵尸进程”。

通过前面查看操作系统的进程信息，我们知道在操作系统中，可以产生很多的进程。在unix/linux系统中，正常情况下，子进程是通过父进程fork创建的，子进程再创建新的进程。

并且父进程永远无法预测子进程 到底什么时候结束。 当一个 进程完成它的工作终止之后，它的父进程需要调用系统调用取得子进程的终止状态。

孤儿进程

孤儿进程: 父进程先于子进程结束，则子进程成为孤儿进程，子进程的父进程成为init进程，称为init进程领养孤儿进程。

僵尸进程

僵尸进程: 进程终止，父进程尚未回收，子进程残留资源（PCB）存放于内核中，变成僵尸（Zombie）进程。  

Windows下的进程和Linux下的进程是不一样的，它比较懒惰，从来不执行任何东西，只是为线程提供执行环境。然后由线程负责执行包含在进程的地址空间中的代码。当创建一个进程的时候，操作系统会自动创建这个进程的第一个线程，成为主线程。

 

线程并发

什么是线程

LWP：light weight process 轻量级的进程，本质仍是进程 (Linux下)

进程：独立地址空间，拥有PCB 

线程：有独立的PCB，但没有独立的地址空间(共享)

区别：在于是否共享地址空间。独居(进程)；合租(线程)。

线程：最小的执行单位

进程：最小分配资源单位，可看成是只有一个线程的进程。

Windows系统下，可以直接忽略进程的概念，只谈线程。因为线程是最小的执行单位，是被系统独立调度和分派的基本单位。而进程只是给线程提供执行环境。

线程同步

同步即协同步调，按预定的先后次序运行。

线程同步，指一个线程发出某一功能调用时，在没有得到结果之前，该调用不返回。同时其它线程为保证数据一致性，不能调用该功能。

举例1： 银行存款 5000。柜台，折：取3000；提款机，卡：取 3000。剩余：2000

举例2： 内存中100字节，线程T1欲填入全1， 线程T2欲填入全0。但如果T1执行了50个字节失去cpu，T2执行，会将T1写过的内容覆盖。当T1再次获得cpu继续 从失去cpu的位置向后写入1，当执行结束，内存中的100字节，既不是全1，也不是全0。

产生的现象叫做“与时间有关的错误”(time related)。为了避免这种数据混乱，线程需要同步。

“同步”的目的，是为了避免数据混乱，解决与时间有关的错误。实际上，不仅线程间需要同步，进程间、信号间等等都需要同步机制。

因此，所有“多个控制流，共同操作一个共享资源”的情况，都需要同步。

 

锁的应用

互斥量mutex

Linux中提供一把互斥锁mutex（也称之为互斥量）。

每个线程在对资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁。

资源还是共享的，线程间也还是竞争的，

但通过“锁”就将资源的访问变成互斥操作，而后与时间有关的错误也不会再产生了。

但，应注意：同一时刻，只能有一个线程持有该锁。

当A线程对某个全局变量加锁访问，B在访问前尝试加锁，拿不到锁，B阻塞。C线程不去加锁，而直接访问该全局变量，依然能够访问，但会出现数据混乱。

所以，互斥锁实质上是操作系统提供的一把“建议锁”（又称“协同锁”），建议程序中有多线程访问共享资源的时候使用该机制。但，并没有强制限定。

因此，即使有了mutex，如果有线程不按规则来访问数据，依然会造成数据混乱。

 

读写锁

与互斥量类似，但读写锁允许更高的并行性。其特性为：写独占，读共享。

l 读写锁状态：

特别强调：读写锁只有一把，但其具备两种状态：

1. 读模式下加锁状态 (读锁) 

2. 写模式下加锁状态 (写锁) 

l 读写锁特性：

1. 读写锁是“写模式加锁”时， 解锁前，所有对该锁加锁的线程都会被阻塞。
2. 读写锁是“读模式加锁”时， 如果线程以读模式对其加锁会成功；如果线程以写模式加锁会阻塞。
3. 读写锁是“读模式加锁”时， 既有试图以写模式加锁的线程，也有试图以读模式加锁的线程。那么读写锁会阻塞随后的读模式锁请求。优先满足写模式锁。读锁、写锁并行阻塞，写锁优先级高

读写锁也叫共享-独占锁。当读写锁以读模式锁住时，它是以共享模式锁住的；当它以写模式锁住时，它是以独占模式锁住的。写独占、读共享。

读写锁非常适合于对数据结构读的次数远大于写的情况。

协程并发

协程：coroutine。也叫轻量级线程。

与传统的系统级线程和进程相比，协程最大的优势在于“轻量级”。可以轻松创建上万个而不会导致系统资源衰竭。而线程和进程通常很难超过1万个。这也是协程别称“轻量级线程”的原因。

一个线程中可以有任意多个协程，但某一时刻只能有一个协程在运行，多个协程分享该线程分配到的计算机资源。

多数语言在语法层面并不直接支持协程，而是通过库的方式支持，但用库的方式支持的功能也并不完整，比如仅仅提供协程的创建、销毁与切换等能力。如果在这样的轻量级线程中调用一个同步 IO 操作，比如网络通信、本地文件读写，都会阻塞其他的并发执行轻量级线程，从而无法真正达到轻量级线程本身期望达到的目标。

在协程中，调用一个任务就像调用一个函数一样，消耗的系统资源最少！但能达到进程、线程并发相同的效果。

在一次并发任务中，进程、线程、协程均可以实现。从系统资源消耗的角度出发来看，进程相当多，线程次之，协程最少。

 

Go并发

Go 在语言级别支持协程，叫goroutine。Go 语言标准库提供的所有系统调用操作（包括所有同步IO操作），都会出让CPU给其他goroutine。这让轻量级线程的切换管理不依赖于系统的线程和进程，也不需要依赖于CPU的核心数量。

有人把Go比作21世纪的C语言。第一是因为Go语言设计简单，第二，21世纪最重要的就是并行程序设计，而Go从语言层面就支持并行。同时，并发程序的内存管理有时候是非常复杂的，而Go语言提供了自动垃圾回收机制。

Go语言为并发编程而内置的上层API基于顺序通信进程模型CSP(communicating sequential processes)。这就意味着显式锁都是可以避免的，因为Go通过相对安全的通道发送和接受数据以实现同步，这大大地简化了并发程序的编写。

Go语言中的并发程序主要使用两种手段来实现。goroutine和channel。

Goroutine

什么是Goroutine

goroutine是Go并行设计的核心。goroutine说到底其实就是协程，它比线程更小，十几个goroutine可能体现在底层就是五六个线程，Go语言内部帮你实现了这些goroutine之间的内存共享。执行goroutine只需极少的栈内存(大概是4~5KB)，当然会根据相应的数据伸缩。也正因为如此，可同时运行成千上万个并发任务。goroutine比thread更易用、更高效、更轻便。

一般情况下，一个普通计算机跑几十个线程就有点负载过大了，但是同样的机器却可以轻松地让成百上千个goroutine进行资源竞争。

Goroutine的创建

只需在函数调?语句前添加 go 关键字，就可创建并发执?单元。开发?员无需了解任何执?细节，调度器会自动将其安排到合适的系统线程上执行。

在并发编程中，我们通常想将一个过程切分成几块，然后让每个goroutine各自负责一块工作，当一个程序启动时，主函数在一个单独的goroutine中运行，我们叫它main goroutine。新的goroutine会用go语句来创建。而go语言的并发设计，让我们很轻松就可以达成这一目的。

 

示例代码：

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func newTask() {
    i := 0
    for {
        i++
        fmt.Printf("new goroutine: i = %d
", i)
        time.Sleep(1 * time.Second) //延时1s
    }
}

func main() {
    //创建一个 goroutine，启动另外一个任务
    go newTask()
    i := 0
    //main goroutine 循环打印
    for {
        i++
        fmt.Printf("main goroutine: i = %d
", i)
        time.Sleep(1 * time.Second) //延时1s
    }
}

　　

程序运行结果：

Goroutine特性

主goroutine退出后，其它的工作goroutine也会自动退出：

 

 1 package main
 2 
 3 import (
 4 "fmt"
 5 "time"
 6 )
 7 
 8 func newTask() {
 9     i := 0
10     for {
11         i++
12         fmt.Printf("new goroutine: i = %d
", i)
13         time.Sleep(1 * time.Second) //延时1s
14     }
15 }
16 
17 func main() {
18     //创建一个 goroutine，启动另外一个任务
19     go newTask()
20 
21     fmt.Println("main goroutine exit")
22 }

View Code

 

程序运行结果：

 

runtime包

Gosched

runtime.Gosched() 用于让出CPU时间片，让出当前goroutine的执行权限，调度器安排其他等待的任务运行，并在下次再获得cpu时间轮片的时候，从该出让cpu的位置恢复执行。

有点像跑接力赛，A跑了一会碰到代码runtime.Gosched() 就把接力棒交给B了，A歇着了，B继续跑。

示例代码：

 1 package main
 2 
 3 import (
 4 "fmt"
 5 "runtime"
 6 )
 7 
 8 func main() {
 9     //创建一个goroutine
10     go func(s string) {
11         for i := 0; i < 2; i++ {
12             fmt.Println(s)
13         }
14     }("world")
15 
16     for i := 0; i < 2; i++ {
17         runtime.Gosched()  //import "runtime" 包
18         /*
19             屏蔽runtime.Gosched()运行结果如下：
20                 hello
21                 hello
22 
23             没有runtime.Gosched()运行结果如下：
24                 world
25                 world
26                 hello
27                 hello
28         */
29         fmt.Println("hello")
30     }
31 }

View Code

以上程序的执行过程如下：

主协程进入main()函数，进行代码的执行。当执行到go func()匿名函数时，创建一个新的协程，开始执行匿名函数中的代码，主协程继续向下执行，执行到runtime.Gosched( )时会暂停向下执行，直到其它协程执行完后，再回到该位置，主协程继续向下执行。

Goexit

调用 runtime.Goexit() 将立即终止当前 goroutine 执?，调度器确保所有已注册 defer延迟调用被执行。

示例代码：

 1 package main
 2 
 3 import (
 4 "fmt"
 5 "runtime"
 6 )
 7 
 8 func main() {
 9     go func() {
10         defer fmt.Println("A.defer")
11 
12         func() {
13             defer fmt.Println("B.defer")
14             runtime.Goexit() // 终止当前 goroutine, import "runtime"
15             fmt.Println("B") // 不会执行
16         }()
17 
18         fmt.Println("A") // 不会执行
19     }()     //不要忘记()
20 
21     //死循环，目的不让主goroutine结束
22     for {
23     }
24 }

View Code

程序运行结果：

GOMAXPROCS

调用 runtime.GOMAXPROCS() 用来设置可以并行计算的CPU核数的最大值，并返回之前的值。

示例代码：

 1 package main
 2 
 3 import (
 4     "fmt"
 5 )
 6 
 7 func main() {
 8 //n := runtime.GOMAXPROCS(1)     // 第一次 测试
 9 //打印结果：111111111111111111110000000000000000000011111...
10 
11 n := runtime.GOMAXPROCS(2)         // 第二次 测试
12 //打印结果：010101010101010101011001100101011010010100110...
13     fmt.Printf("n = %d
", n)
14 
15     for {
16         go fmt.Print(0)
17         fmt.Print(1)
18     }
19 }

View Code

在第一次执行runtime.GOMAXPROCS(1) 时，最多同时只能有一个goroutine被执行。所以会打印很多1。过了一段时间后，GO调度器会将其置为休眠，并唤醒另一个goroutine，这时候就开始打印很多0了，在打印的时候，goroutine是被调度到操作系统线程上的。

在第二次执行runtime.GOMAXPROCS(2) 时， 我们使用了两个CPU，所以两个goroutine可以一起被执行，以同样的频率交替打印0和1。