《Go in action》读后记录：Go的并发与并行

Posted 张伯雨

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了《Go in action》读后记录：Go的并发与并行相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、使用goroutine来运行程序

1.Go的并发与并行

Go的并发能力，是指让某个函数独立于其他函数运行的能力。当为一个函数创建goroutine时，该函数将作为一个独立的工作单元，被 调度器 调度到可用的逻辑处理器上执行。Go的运行时调度器是个复杂的软件，它做的工作大致是：

  • 管理被创建的所有goroutine，为其分配执行时间
  • 将操作系统线程与语言运行时的逻辑处理器绑定

参考The Go scheduler ，这里较浅显地说一下Go的运行时调度器。操作系统会在物理处理器上调度操作系统线程来运行，而Go语言的运行时会在逻辑处理器上调度goroutine来运行，每个逻辑处理器都分别绑定到单个操作系统线程上。这里涉及到三个角色：

  • M：操作系统线程，这是真正的内核OS线程
  • P：逻辑处理器，代表着调度的上下文，它使goroutine在一个M上跑
  • G：goroutine，拥有自己的栈，指令指针等信息，被P调度

每个P会维护一个全局运行队列（称为runqueue），处于ready就绪状态的goroutine（灰色G）被放在这个队列中等待被调度。在编写程序时，每当go func启动一个goroutine时，runqueue便在尾部加入一个goroutine。在下一个调度点上，P就从runqueue中取出一个goroutine出来执行（蓝色G）。

当某个操作系统线程M阻塞的时候（比如goroutine执行了阻塞的系统调用)，P可以绑定到另外一个操作系统线程M上，让运行队列中的其他goroutine继续执行：

上图中G0执行了阻塞操作，M0被阻塞，P将在新的系统线程M1上继续调度G执行。M1有可能是被新创建的，或者是从线程缓存中取出。Go调度器保证有足够的线程来运行所有的P，语言运行时默认限制每个程序最多创建10000个线程，这个现在可以通过调用runtime/debug包的SetMaxThreads方法来更改。

Go可以在在一个逻辑处理器P上实现并发，如果需要并行，必须使用多于1个的逻辑处理器。Go调度器会把goroutine平等分配到每个逻辑处理器上，此时goroutine将在不同的线程上运行，不过前提是要求机器拥有多个物理处理器。

2.创建goroutine

使用关键字go来创建一个goroutine，并让所有的goroutine都得到执行：

//example1.go
package main

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

var (
   wg sync.WaitGroup
)

func main() {
   //分配一个逻辑处理器Ｐ给调度器使用
   runtime.GOMAXPROCS(1)
   //在这里,wg用于等待程序完成，计数器加2，表示要等待两个goroutine
   wg.Add(2)
   //声明1个匿名函数，并创建一个goroutine
   fmt.Printf("Begin Coroutines\\n")
   go func() {
      //在函数退出时，wg计数器减1
      defer wg.Done()
      //打印3次小写字母表
      for count := 0; count < 3; count++ {
         for char := \'a\'; char < \'a\'+26; char++ {
            fmt.Printf("%c ", char)
         }
      }
   }()
   //声明1个匿名函数，并创建一个goroutine
   go func() {
      defer wg.Done()
      //打印大写字母表3次
      for count := 0; count < 3; count++ {
         for char := \'A\'; char < \'A\'+26; char++ {
            fmt.Printf("%c ", char)
         }
      }
   }()

   fmt.Printf("Waiting To Finish\\n")
   //等待2个goroutine执行完毕
   wg.Wait()

}

这个程序使用runtime.GOMAXPROCS(1)来分配一个逻辑处理器给调度器使用，两个goroutine将被该逻辑处理器调度并发执行。程序输出：

Begin Coroutines
Waiting To Finish
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z

从输出来看，是先执行完一个goroutine，再接着执行第二个goroutine的，大写字母全部打印完后，再打印全部的小写字母。那么，有没有办法让两个goroutine并行执行呢？为程序指定两个逻辑处理器即可：

//修改为2个逻辑处理器
runtime.GOMAXPROCS(2)

此时执行程序，输出为：

Begin Coroutines
Waiting To Finish
A B C D E a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z a b c F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X d e f g h i j k l m n o p q r s Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z t u v w x y z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

那如果只有1个逻辑处理器，如何让两个goroutine交替被调度？实际上，如果goroutine需要很长的时间才能运行完，调度器的内部算法会将当前运行的goroutine让出，防止某个goroutine长时间占用逻辑处理器。由于示例程序中两个goroutine的执行时间都很短，在为引起调度器调度之前已经执行完。不过，程序也可以使用runtime.Gosched()来将当前在逻辑处理器上运行的goruntine让出，让另一个goruntine得到执行：

//example2.go
package main

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

var (
   wg sync.WaitGroup
)

func main() {
   //分配一个逻辑处理器Ｐ给调度器使用
   runtime.GOMAXPROCS(1)
   //在这里,wg用于等待程序完成，计数器加2，表示要等待两个goroutine
   wg.Add(2)
   //声明1个匿名函数，并创建一个goroutine
   fmt.Printf("Begin Coroutines\\n")
   go func() {
      //在函数退出时，wg计数器减1
      defer wg.Done()
      //打印3次小写字母表
      for count := 0; count < 3; count++ {
         for char := \'a\'; char < \'a\'+26; char++ {
            if char==\'k\'{
               runtime.Gosched()
            }
            fmt.Printf("%c ", char)
         }
      }
   }()
   //声明1个匿名函数，并创建一个goroutine
   go func() {
      defer wg.Done()
      //打印大写字母表3次
      for count := 0; count < 3; count++ {
         for char := \'A\'; char < \'A\'+26; char++ {
            if char == \'K\'{
               runtime.Gosched()
            }
            fmt.Printf("%c ", char)
         }
      }
   }()

   fmt.Printf("Waiting To Finish\\n")
   //等待2个goroutine执行完毕
   wg.Wait()

}

两个goroutine在循环的字符为k/K的时候会让出逻辑处理器，程序的输出结果为：

Begin Coroutines
Waiting To Finish
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J a b c d e f g h i j K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J k l m n o p q r s t u v w x y z a b c d e f g h i j K L M N O P Q R S T U V W X Y Z k l m n o p q r s t u v w x y z a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z

这里大小写字母果然是交替着输出了。不过从输出可以看到，第一次输出大写字母时遇到K没有让出逻辑处理器，这是什么原因还不是很清楚，调度器的调度机制？

二、处理竞争状态

并发程序避免不了的一个问题是对资源的同步访问。如果多个goroutine在没有互相同步的情况下去访问同一个资源，并进行读写操作，这时goroutine就处于竞争状态下：

//example3.go
package main

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

var (
   //counter为访问的资源
   counter int64
   wg      sync.WaitGroup
)

func addCount() {
   defer wg.Done()
   for count := 0; count < 2; count++ {
      value := counter
      //当前goroutine从线程退出
      runtime.Gosched()
      value++
      counter=value
   }
}

func main() {
   wg.Add(2)
   go addCount()
   go addCount()
   wg.Wait()
   fmt.Printf("counter: %d\\n",counter)
}
//output:
counter: 4 或者counter: 2

这段程序中，goroutine对counter的读写操作没有进行同步，goroutine 1对counter的写结果可能被goroutine 2所覆盖。Go可通过如下方式来解决这个问题：