Go 语言入门并发

Posted 2020-11-26 bylight

写在前面

在学习 Go 语言之前，我自己是有一定的 Java 和 C++ 基础的，这篇文章主要是基于A tour of Go编写的，主要是希望记录一下自己的学习历程，加深自己的理解

Go 语言入门（三）并发

Go 程

「Go 程」goroutine：由 Go 运行时管理的轻量级线程。

运行「Go 程」很简单，只要执行下面代码：

go f(x, y, z)

就会启动一个新的 Go 程并执行f(x, y, z)。f、x、y和z的运算发生在当前的 Go 程中，而f的执行发生在新的 Go 程中。

「Go 程」在相同的地址空间中运行，因此在访问共享的内存时必须进行同步。sync包提供了这种能力，不过在 Go 中并不经常用到，我们用得比较多的是信道。

信道

「信道」是带有类型的管道，你可以通过它用信道操作符<-来发送或者接收值：

ch <- v     // 将 v 发送至信道 ch
v := <-ch   // 从信道 ch 接受值并赋予 v

可以看到，操作符<-是一个箭头，实际上就是表示数据的流向。它有些类似于队列，对于发送至信道的值是先进先出的。

使用信道

和「切片」以及「映射」一样，在使用信道之前，我们必须先初始化一个信道：

ch := make(chan int)

默认情况下，发送和接收操作在另一端准备好之前都会阻塞。这使得 Go 程可以在没有显式的锁或竞态变量的情况下进行同步。

以下示例对切片中的数进行求和，将任务分配给两个 Go 程。一旦两个 Go 程完成了它们的计算，它就能算出最终的结果：

package main

import "fmt"

func sum(s []int, c chan int) {
    sum := 0
    for _, v := range s {
        sum += v
    }
    c <- sum // 将和送入 c
}

func main() {
    s := []int{7, 2, 8, -9, 4, 0}

    c := make(chan int)
    go sum(s[:len(s)/2], c)
    go sum(s[len(s)/2:], c)
    x, y := <-c, <-c // 从 c 中接收

    fmt.Println(x, y, x+y)
    // 执行结果: -5 17 12
}

带缓冲的信道

信道是带缓冲的，也就是我们可以指定信道的缓冲区长度：仅当信道的缓冲区填满后，向其发送数据时才会阻塞。当缓冲区为空时，接受方会阻塞。

使用make函数便能够在创建信道的同时指定缓冲区长度：

// 创建一个缓冲区长度为 2 的信道
c := make(chan int, 2)

range 和 close

「发送者」可通过close来关闭一个信道来表示没有需要发送的值了。

「接收者」可以通过为接收表达式分配第二个参数来测试信道是否被关闭：

v, ok := <-ch

和「映射」以及接口的「类型断言」相似，如果信道已经关闭，ok会被设为false。

作为「接受者」，我们可以使用for i := range c来不断从信道c接受信息，知道它被关闭。

package main

import (
    "fmt"
)

// 向信道中输入斐波那契数列
func fibonacci(n int, c chan int) {
    x, y := 0, 1
    for i := 0; i < n; i++ {
        c <- x
        x, y = y, x+y
    }
    // 输入完毕后关闭信道
    close(c)
}

func main() {
    c := make(chan int, 10)
    go fibonacci(cap(c), c)
    // 只有在信道关闭后才会停止循环
    for i := range c {
        fmt.Println(i)
    }
}

注意： 信道与文件不同，通常情况下无需关闭它们。只有在必须告诉接收者不再有需要发送的值时才有必要关闭，例如终止一个 range 循环。

select 语句

「select 语句」：使一个 Go 程可以等待多个通信操作。

select会阻塞到某个分支可以继续执行为止，这时就会执行该分支；如果多个分支都准备好时，会随机选择一个执行。

下面的例子能够演示并说明一些 select 的使用场景：

package main

import "fmt"

func fibonacci(c, quit chan int) {
    x, y := 0, 1
    for {
        select {
        // 实际上这个 case 一直在不断执行直到 return
        case c <- x:
            x, y = y, x+y
        // 这里时 quit 信道的接收方
        // 直到下面的 go 程中 for 循环执行完毕后，quit 才不为空，才能够执行这个 case
        case <-quit:
            fmt.Println("quit")
            return
        }
    }
}

func main() {
    // 新建两个信道
    c := make(chan int)
    quit := make(chan int)
    // 启动一个 go 程
    go func() {
        for i := 0; i < 10; i++ {
            // 当 c 缓冲区为空时，接收方（也就是这里）会阻塞
            fmt.Println(<-c)
        }
        quit <- 0
    }()
    fibonacci(c, quit)
}

上面的例子中，我们可以修改 go 程中 for 循环的循环次数，多试几次就可以明白select语句的执行情况了。

上面我们只为select语句指定了两个 case，实际上我们还可以像switch语句一样为它设置默认值default，当 select 中的其它分支都没有准备好时，default 分支就会执行：

select {
case i := <-c:
    // 使用 i
default:
    // 从 c 中接收会阻塞时执行
}

互斥锁： sync.Mutex

从上面可以看到，通过「信道」我们可以方便的在各个 Go 程之间进行通信。但有时，我们希望同一时间只有一个 Go 程能够访问某个共享的变量，这就是互斥（mutual exclusion），我们通常使用互斥锁（Mutex）这一数据结构来提供这种机制。

Go 标准库中提供了sync.Mutex互斥锁类型及其两个方法：Lock()和Unlock()来实现「互斥」。

和 Java 中一样，我们在代码执行前调用Lock()，在代码执行结束后调用Unlock()来保证代码的互斥执行。参加下面代码的Inc()方法

我们可以用defer语句来保证互斥锁一定会被解锁，参见下面的Value()方法：

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

// SafeCounter 的并发使用是安全的。
type SafeCounter struct {
    v   map[string]int
    mux sync.Mutex
}

// Inc 增加给定 key 的计数器的值。
func (c *SafeCounter) Inc(key string) {
    c.mux.Lock()
    // Lock 之后同一时刻只有一个 goroutine 能访问 c.v
    c.v[key]++
    c.mux.Unlock()
}

// Value 返回给定 key 的计数器的当前值。
func (c *SafeCounter) Value(key string) int {
    c.mux.Lock()
    // Lock 之后同一时刻只有一个 goroutine 能访问 c.v
    defer c.mux.Unlock()
    return c.v[key]
}

func main() {
    c := SafeCounter{v: make(map[string]int)}
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        go c.Inc("somekey")
    }

    time.Sleep(time.Second)
    fmt.Println(c.Value("somekey"))
}