11 、并发编程

文章目录

• 11 、并发编程
• 11 .1 概述
• 11.1.1 并行和并发
• 11.1.2Go语言并发优势

• 11.2.1 goroutine是什么
• 11.1.2 创建goroutine
• 11.2 .3 主goroutine先退出
• 11.2.4 runtime包
• 11.2.4.1 Gosched
• 11.2.4.2 Goexit
• 11.2.4.3 GOMAXPROCS

• 11.3.1 channel类型
• 11.3.2 无缓冲的channel
• 11.3.3 有缓冲的channel
• 11.3.4 range和close
• 11.3.5 单方向的channel
• 11.3.6 定时器
• 11.3.6.1 Timer
• 11.3.6.2 Ticker

• 11.4.1 Select的作用

11 .1 概述

11.1.1 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，使多个进程快速交替的执行。

并行是两个队列同时使用两台咖啡机

并发是两个队列交替使用一台咖啡机

11.1.2Go语言并发优势

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从语言层面就支持了并行。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CSP(communicating sequential processes, 顺序通信进程)模型。这就意味着显式锁都是可以避免的，因为Go语言通过相册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。

一般情况下，一个普通的桌面计算机跑十几二十个线程就有点负载过大了，但是同样这台机器却可以轻松地让成百上千甚至过万个goroutine进行资源竞争。

11.2 goroutine

11.2.1 goroutine是什么

goroutine是Go并行设计的核心。goroutine说到底其实就是协程，但是它比线程更小，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。

11.1.2 创建goroutine

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

在并发编程里，我们通常想讲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，其主函数即在一个单独的goroutine中运行，我们叫它main goroutine。新的goroutine会用go语句来创建。

示例代码：

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

程序运行结果：

11.2 .3 主goroutine先退出

主goroutine退出后，其它的工作goroutine也会自动退出：

func newTask() {i := 0for {i++fmt.Printf(\"new goroutine: i = %d\\n\", 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()fmt.Println(\"main goroutine exit\")}

程序运行结果：

11.2.4 runtime包

11.2.4.1 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，并在下次某个时候从该位置恢复执行。

这就像跑接力赛，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：

func main() {//创建一个goroutinego func(s string) {for i := 0; i < 2; i++ {fmt.Println(s)}}(\"world\")for i := 0; i < 2; i++ {runtime.Gosched() //import \"runtime\"/*屏蔽runtime.Gosched()运行结果如下：hellohello没有runtime.Gosched()运行结果如下：worldworldhellohello*/fmt.Println(\"hello\")}}

11.2.4.2 Goexit

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

示例代码：

func main() {go func() {defer fmt.Println(\"A.defer\")func() {defer fmt.Println(\"B.defer\")runtime.Goexit() // 终止当前 goroutine, import \"runtime\"fmt.Println(\"B\") // 不会执行}()fmt.Println(\"A\") // 不会执行}() //别忘了()//死循环，目的不让主goroutine结束for {}}

程序运行结果：

11.2.4.3 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：

func main() {//n := runtime.GOMAXPROCS(1) //打印结果：111111111111111111110000000000000000000011111...n := runtime.GOMAXPROCS(2)     //打印结果：010101010101010101011001100101011010010100110...fmt.Printf(\"n = %d\\n\", n)for {go fmt.Print(0)fmt.Print(1)}}

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。

11.3 channel

goroutine运行在相同的地址空间，因此访问共享内存必须做好同步。goroutine 奉行通过通信来共享内存，而不是共享内存来通信。

引⽤类型 channel 是 CSP 模式的具体实现，用于多个 goroutine 通讯。其内部实现了同步，确保并发安全。

11.3.1 channel类型

和map类似，channel也一个对应make创建的底层数据结构的引用。

当我们复制一个channel或用于函数参数传递时，我们只是拷贝了一个channel引用，因此调用者何被调用者将引用同一个channel对象。和其它的引用类型一样，channel的零值也是nil。

定义一个channel时也需要定义发送到channel的值的类型。channel可以使用内置的make()函数来创建：

make(chan Type) //等价于make(chan Type, 0)make(chan Type, capacity)

当 capacity= 0 时，channel 是无缓冲阻塞读写的，当capacity> 0 时，channel 有缓冲、是非阻塞的，直到写满 capacity个元素才阻塞写入。

channel通过操作符<-来接收和发送数据，发送和接收数据语法：

channel <- value      //发送value到channel<-channel             //接收并将其丢弃x := <-channel        //从channel中接收数据，并赋值给xx, ok := <-channel    //功能同上，同时检查通道是否已关闭或者是否为空

默认情况下，channel接收和发送数据都是阻塞的，除非另一端已经准备好，这样就使得goroutine同步变的更加的简单，而不需要显式的lock。

示例代码：

func main() {c := make(chan int)go func() {defer fmt.Println(\"子协程结束\")fmt.Println(\"子协程正在运行……\")c <- 666 //666发送到c}()num := <-c //从c中接收数据，并赋值给numfmt.Println(\"num = \", num)fmt.Println(\"main协程结束\")}

程序运行结果：

11.3.2 无缓冲的channel

无缓冲的通道（unbuffered channel）是指在接收前没有能力保存任何值的通道。

这种类型的通道要求发送 goroutine 和接收 goroutine 同时准备好，才能完成发送和接收操作。如果两个goroutine没有同时准备好，通道会导致先执行发送或接收操作的 goroutine 阻塞等待。

这种对通道进行发送和接收的交互行为本身就是同步的。其中任意一个操作都无法离开另一个操作单独存在。

下图展示两个 goroutine 如何利用无缓冲的通道来共享一个值：

在第 1 步，两个 goroutine 都到达通道，但哪个都没有开始执行发送或者接收。

在第 2 步，左侧的 goroutine 将它的手伸进了通道，这模拟了向通道发送数据的行为。这时，这个 goroutine 会在通道中被锁住，直到交换完成。

在第 3 步，右侧的 goroutine 将它的手放入通道，这模拟了从通道里接收数据。这个 goroutine 一样也会在通道中被锁住，直到交换完成。

在第 4 步和第 5 步，进行交换，并最终，在第 6 步，两个 goroutine 都将它们的手从通道里拿出来，这模拟了被锁住的 goroutine 得到释放。两个 goroutine 现在都可以去做别的事情了。

无缓冲的channel创建格式：

make(chan Type) //等价于make(chan Type, 0)

如果没有指定缓冲区容量，那么该通道就是同步的，因此会阻塞到发送者准备好发送和接收者准备好接收。

示例代码：

func main() {c := make(chan int, 0) //无缓冲的通道//内置函数 len 返回未被读取的缓冲元素数量， cap 返回缓冲区大小fmt.Printf(\"len(c)=%d, cap(c)=%d\\n\", len(c), cap(c))go func() {defer fmt.Println(\"子协程结束\")for i := 0; i < 3; i++ {c <- ifmt.Printf(\"子协程正在运行[%d]: len(c)=%d, cap(c)=%d\\n\", i, len(c), cap(c))}}()time.Sleep(2 * time.Second) //延时2sfor i := 0; i < 3; i++ {num := <-c //从c中接收数据，并赋值给numfmt.Println(\"num = \", num)}fmt.Println(\"main协程结束\")}

程序运行结果：

11.3.3 有缓冲的channel

有缓冲的通道（buffered channel）是一种在被接收前能存储一个或者多个值的通道。

这种类型的通道并不强制要求 goroutine 之间必须同时完成发送和接收。通道会阻塞发送和接收动作的条件也会不同。只有在通道中没有要接收的值时，接收动作才会阻塞。只有在通道没有可用缓冲区容纳被发送的值时，发送动作才会阻塞。

这导致有缓冲的通道和无缓冲的通道之间的一个很大的不同：无缓冲的通道保证进行发送和接收的 goroutine 会在同一时间进行数据交换；有缓冲的通道没有这种保证。

示例图如下：

在第 1 步，右侧的 goroutine 正在从通道接收一个值。

在第 2 步，右侧的这个 goroutine独立完成了接收值的动作，而左侧的 goroutine 正在发送一个新值到通道里。

在第 3 步，左侧的goroutine 还在向通道发送新值，而右侧的 goroutine 正在从通道接收另外一个值。这个步骤里的两个操作既不是同步的，也不会互相阻塞。

最后，在第 4 步，所有的发送和接收都完成，而通道里还有几个值，也有一些空间可以存更多的值。

有缓冲的channel创建格式：

make(chan Type, capacity)

如果给定了一个缓冲区容量，通道就是异步的。只要缓冲区有未使用空间用于发送数据，或还包含可以接收的数据，那么其通信就会无阻塞地进行。

示例代码：

func main() {c := make(chan int, 3) //带缓冲的通道//内置函数 len 返回未被读取的缓冲元素数量， cap 返回缓冲区大小fmt.Printf(\"len(c)=%d, cap(c)=%d\\n\", len(c), cap(c))go func() {defer fmt.Println(\"子协程结束\")for i := 0; i < 3; i++ {c <- ifmt.Printf(\"子协程正在运行[%d]: len(c)=%d, cap(c)=%d\\n\", i, len(c), cap(c))}}()time.Sleep(2 * time.Second) //延时2sfor i := 0; i < 3; i++ {num := <-c //从c中接收数据，并赋值给numfmt.Println(\"num = \", num)}fmt.Println(\"main协程结束\")}

程序运行结果：

11.3.4 range和close

如果发送者知道，没有更多的值需要发送到channel的话，那么让接收者也能及时知道没有多余的值可接收将是有用的，因为接收者可以停止不必要的接收等待。这可以通过内置的close函数来关闭channel实现。

示例代码：

func main() {c := make(chan int)go func() {for i := 0; i < 5; i++ {c <- i}//把 close(c) 注释掉，程序会一直阻塞在 if data, ok := <-c; ok 那一行close(c)}()for {//ok为true说明channel没有关闭，为false说明管道已经关闭if data, ok := <-c; ok {fmt.Println(data)} else {break}}fmt.Println(\"Finished\")}

程序运行结果：

注意点：

channel不像文件一样需要经常去关闭，只有当你确实没有任何发送数据了，或者你想显式的结束range循环之类的，才去关闭channel；

关闭channel后，无法向channel 再发送数据(引发 panic 错误后导致接收立即返回零值)；

关闭channel后，可以继续向channel接收数据；

对于nil channel，无论收发都会被阻塞。

可以使用 range 来迭代不断操作channel：

func main() {c := make(chan int)go func() {for i := 0; i < 5; i++ {c <- i}//把 close(c) 注释掉，程序会一直阻塞在 for data := range c 那一行close(c)}()for data := range c {fmt.Println(data)}fmt.Println(\"Finished\")}

11.3.5 单方向的channel

默认情况下，通道是双向的，也就是，既可以往里面发送数据也可以同里面接收数据。

但是，我们经常见一个通道作为参数进行传递而值希望对方是单向使用的，要么只让它发送数据，要么只让它接收数据，这时候我们可以指定通道的方向。

单向channel变量的声明非常简单，如下：

var ch1 chan int       // ch1是一个正常的channel，不是单向的var ch2 chan<- float64 // ch2是单向channel，只用于写float64数据var ch3 <-chan int     // ch3是单向channel，只用于读取int数据

chan<- 表示数据进入管道，要把数据写进管道，对于调用者就是输出。

<-chan 表示数据从管道出来，对于调用者就是得到管道的数据，当然就是输入。

可以将 channel 隐式转换为单向队列，只收或只发，不能将单向 channel 转换为普通 channel：

c := make(chan int, 3)var send chan<- int = c // send-onlyvar recv <-chan int = c // receive-onlysend <- 1//<-send //invalid operation: <-send (receive from send-only type chan<- int)<-recv//recv <- 2 //invalid operation: recv <- 2 (send to receive-only type <-chan int)//不能将单向 channel 转换为普通 channeld1 := (chan int)(send) //cannot convert send (type chan<- int) to type chan intd2 := (chan int)(recv) //cannot convert recv (type <-chan int) to type chan int

示例代码：

//   chan<- //只写func counter(out chan<- int) {defer close(out)for i := 0; i < 5; i++ {out <- i //如果对方不读 会阻塞}}//   <-chan //只读func printer(in <-chan int) {for num := range in {fmt.Println(num)}}func main() {c := make(chan int) //   chan   //读写go counter(c) //生产者printer(c)    //消费者fmt.Println(\"done\")}

11.3.6 定时器

11.3.6.1 Timer

Timer是一个定时器，代表未来的一个单一事件，你可以告诉timer你要等待多长时间，它提供一个channel，在将来的那个时间那个channel提供了一个时间值。

示例代码：

import \"fmt\"import \"time\"func main() {//创建定时器，2秒后，定时器就会向自己的C字节发送一个time.Time类型的元素值timer1 := time.NewTimer(time.Second * 2)t1 := time.Now() //当前时间fmt.Printf(\"t1: %v\\n\", t1)t2 := <-timer1.Cfmt.Printf(\"t2: %v\\n\", t2)//如果只是想单纯的等待的话，可以使用 time.Sleep 来实现timer2 := time.NewTimer(time.Second * 2)<-timer2.Cfmt.Println(\"2s后\")time.Sleep(time.Second * 2)fmt.Println(\"再一次2s后\")<-time.After(time.Second * 2)fmt.Println(\"再再一次2s后\")timer3 := time.NewTimer(time.Second)go func() {<-timer3.Cfmt.Println(\"Timer 3 expired\")}()stop := timer3.Stop() //停止定时器if stop {fmt.Println(\"Timer 3 stopped\")}fmt.Println(\"before\")timer4 := time.NewTimer(time.Second * 5) //原来设置3stimer4.Reset(time.Second * 1)            //重新设置时间<-timer4.Cfmt.Println(\"after\")}

11.3.6.2 Ticker

Ticker是一个定时触发的计时器，它会以一个间隔(interval)往channel发送一个事件(当前时间)，而channel的接收者可以以固定的时间间隔从channel中读取事件。

示例代码：

func main() {//创建定时器，每隔1秒后，定时器就会给channel发送一个事件(当前时间)ticker := time.NewTicker(time.Second * 1)i := 0go func() {for { //循环<-ticker.Ci++fmt.Println(\"i = \", i)if i == 5 {ticker.Stop() //停止定时器}}}() //别忘了()//死循环，特地不让main goroutine结束for {}}

11.4 Select

11.4.1 Select的作用

Go里面提供了一个关键字select，通过select可以监听channel上的数据流动。

select的用法与switch语言非常类似，由select开始一个新的选择块，每个选择条件由case语句来描述。

与switch语可以选择任何可使用相等比较的条件相比， select有比较多的限制，其中最大的一条限制就是每个case语句里必须是一个IO操作，大致的结构如下：

select {case <-chan1:// 如果chan1成功读到数据，则进行该case处理语句case chan2 <- 1:// 如果成功向chan2写入数据，则进行该case处理语句default:// 如果上面都没有成功，则进入default处理流程}

在一个select语句中，Go语言会按顺序从头至尾评估每一个发送和接收的语句。

如果其中的任意一语句可以继续执行(即没有被阻塞)，那么就从那些可以执行的语句中任意选择一条来使用。

如果没有任意一条语句可以执行(即所有的通道都被阻塞)，那么有两种可能的情况：

如果给出了default语句，那么就会执行default语句，同时程序的执行会从select语句后的语句中恢复。

如果没有default语句，那么select语句将被阻塞，直到至少有一个通信可以进行下去。

示例代码：

func fibonacci(c, quit chan int) {x, y := 1, 1for {select {case c <- x:x, y = y, x+ycase <-quit:fmt.Println(\"quit\")return}}}func main() {c := make(chan int)quit := make(chan int)go func() {for i := 0; i < 6; i++ {fmt.Println(<-c)}quit <- 0}()fibonacci(c, quit)}

运行结果如下：

11.4.2 超时

有时候会出现goroutine阻塞的情况，那么我们如何避免整个程序进入阻塞的情况呢？我们可以利用select来设置超时，通过如下的方式实现：

func main() {c := make(chan int)o := make(chan bool)go func() {for {select {case v := <-c:fmt.Println(v)case <-time.After(5 * time.Second):fmt.Println(\"timeout\")o <- truebreak}}}()//c <- 666 // 注释掉，引发 timeout<-o}