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并发

Go 语言提供了 Goroutine(协程)和 Channel(管道)来实现并发。

Goroutine

Goroutine 是 Go 语言提供的轻量级线程，一个 goroutine 会以很小的栈开始其生命周期，由 Go 运行时负责调度。runtime 会智能地将多个 goroutine 合理地分配给 n 个操作系统线程。

在 Go 语言中编写并发程序，只需要将该任务包装成一个函数，然后丢给 goroutine 即可。使用关键字go即可创建一个 goroutine。

main goroutine

在 Go 程序启动时，会自动创建一个 main goroutine。当main()函数结束时，整个程序也结束了，所有由 main goroutine 创建的 goroutine 也会一同退出。

动态栈

由操作系统创建的线程一般都有固定的栈内存，而 goroutine 属于用户级线程，初始栈空间很小（一般为2KB）。所以在 Go 语言中一次创建数万个 goroutine 也是可能的。并且 goroutine 的栈不是固定的，可以根据需要动态地增大或缩小。go runtime 会自动为 goroutine 分配合适的栈空间。

goroutine调度

由操作系统控制的线程在进行调度时，需要上下文切换，整个过程比较耗时。而 goroutine 的调度是由 go scheduler 实现的，它在用户态维护了一个类似线程池的概念，会自动地将 goroutine 调度到空闲的线程上运行。

目前 Go 语言采用的是 GPM 调度模型：

GPM调度模型

  • G：即 goroutine， 每执行一个go func()语句就会创建一个 goroutine。
  • 全局队列：存放等待运行的 G。
  • P：表示 goroutine 执行所需要的资源，最多有 GOMAXPROCS(默认值为 CPU 核数) 个。
  • P本地队列：同全局队列类似，存放的也是等待运行的G，存的数量有限，不超过256个。新建 G 时，G 优先加入到 P 的本地队列，如果本地队列满了会批量移动部分 G 到全局队列。
  • M：线程想运行任务就得获取 P，从 P 的本地队列获取 G，当 P 的本地队列为空时，M 也会尝试从全局队列或其他 P 的本地队列获取 G。M 运行 G，G 执行之后，M 会从 P 获取下一个 G，不断重复下去。
  • Goroutine 调度器和操作系统调度器是通过 M 结合起来的，每个 M 都代表了1个内核线程，操作系统调度器负责把内核线程分配到 CPU 的核上执行。

Channel

Go 语言中的 channel是一种特殊的类型。通道像一个传送带或者队列，总是遵循先入先出的规则，保证收发数据的顺序。每一个 channel 都是一个具体类型的导管，也就是声明 channel 的时候需要为其指定元素类型。

在 channel 变量声明后，需要使用make()函数来初始化：

make(chan type, buffer_size)

channel 的操作有发送、接收、关闭三种：

ch := make(chan int)
ch <- 10 // 发送数据
x := <-ch   // 接收数据
close(ch)   // 关闭通道

关闭后的 channel 有以下特点：

  • 对一个关闭的 channel 发送数据会导致 panic。
  • 对一个关闭的通道进行接收操作会一直获取值直到 channel 为空。
  • 关闭一个已经关闭的 channel 会导致 panic。

缓冲区

channel 可以设置缓冲区，即指定 channel 的容量。如果缓冲区满了，则发送者会被阻塞，直到缓冲区有空闲位置。

如果没有设置缓冲区，则 channel 必须要指定一个接收方，否则会导致死锁。

单向channel

Go 语言提供了单向 channel，即某个 channel 只用来发送或者接收数据：

<- chan int // 只接收
chan<- int // 只发送

箭头的方向决定了当前 channel 允许的操作，这种限制将在编译阶段进行监测。另外，一个只接收的 channel 应该由发送方来关闭。

下面的表格总结了不同状态的 channel 执行的结果：

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select多路复用

Go 内置了select关键字来实现多路复用。它可以监听多个 channel 的状态，并根据 channel 的状态来选择执行相应的 case。

select {
case <-ch1:
    // ch1 有数据
case ch2 <- 10:
    // ch2 已满
default:
    // 其他情况
}

select语句具有以下特点：

  • 可处理一个或多个 channel 的发送/接收操作。
  • 如果多个 case 同时满足，则随机选择一个执行。
  • 如果没有 case 可执行，则会阻塞。

并发锁

互斥锁

Go 提供了 sync.Mutex 互斥锁的两个方法：Lock()和Unlock()。

读写互斥锁

sync.RWMutex 提供了以下5个方法：

  • Lock()：获取写锁
  • Unlock()：释放写锁
  • RLock()：获取读锁
  • RUnlock()：释放读锁
  • RLocker()：返回一个实现 Locker 接口的读写锁

WaitGroup

sync.WaitGroup 内部维护一个计数器，计数器的值可以增加和减少。例如当我们启动了 N 个并发任务时，就将计数器值增加N。每个任务完成时通过调用Done()方法将计数器减1。通过调用Wait()来等待并发任务执行完，当计数器值为 0 时，表示所有并发任务已经完成。

  • Add(delta int)：增加计数器的值
  • Done()：减少计数器的值
  • Wait()：阻塞直到计数器变为0

Once

sync.Once 用于保证某个函数只执行一次。

原子操作

针对整数数据类型（int32、uint32、int64、uint64）我们还可以使用原子操作来保证并发安全，通常直接使用原子操作比使用锁操作效率更高。Go 语言中原子操作由内置的标准库 sync/atomic 提供。