關于學習Go語言的并發編程

開始之前，介紹一下?最近很火的開源技術，低代碼。

作為一種軟件開發技術逐漸進入了人們的視角里，它利用自身獨特的優勢占領市場一角——讓使用者可以通過可視化的方式，以更少的編碼，更快速地構建和交付應用軟件，極大程度地降低了軟件的開發、配置、部署和培訓成本。

應用地址：https://www.jnpfsoft.com 開發語言：Java/.net

這是一個基于 Java Boot/.Net Core 構建的簡單、跨平臺快速開發框架。前后端封裝了上千個常用類，方便擴展；采用微服務、前后端分離架構，集成了代碼生成器，支持前后端業務代碼生成，滿足快速開發；框架集成了表單、報表、圖表、大屏等各種常用的 Demo 方便直接使用；后端框架支持 Vue2、Vue3，平臺即可私有化部署，也支持 K8S 部署。

關于并發

Go 語言的創始人Rob Pike?曾說過：并行關乎執行，并發關乎結構。他認為：
? 并發是一種程序設計方法：將一個程序分解成多個小片段，每個小片段獨立執行；并發程序的小片段之間可以通過通信相互協作。
? 并行是有關執行的，它表示同時進行一些計算任務。

程序小片段之間通訊不同語言實現不同，比如：傳統語言Java使用共享內存方式達到線程之間通訊，而Go語言channel來進行通訊。

原生線程、Java線程、Goroutine

Java中的多線程，由 JVM 在 Java 堆中分配內存來存儲線程的相關信息，包括線程棧、程序計數器等。當需要執行 Java 線程時，它會向操作系統請求分配一個或多個原生線程（例如 POSIX 線程或 Windows 線程），操作系統分配成功后，JVM 會將 Java 線程與這些原生線程進行映射，并建立關聯，并在需要時將 Java 線程的狀態同步到相應的原生線程中。

由此可以看出，Java線程和原生線程1:1對應，由操作系統（OS）調度算法執行，該并發以下特點：

  • 線程棧默認空間大且不支持動態伸縮，Java 默認最小都是1MB，Linux 默認 8MB；
  • 線程切換創建、銷毀以及線程間上下文切換的代價都較大。
  • 線程通過共享內存進行通訊，

POSIX線程（Pthreads）是C函數、類型和常數的集合，用于創建和管理線程。它是POSIX標準的一個子集，提供在BeagleBone Black上使用C/C++應用程序實現線程所需的一切。

原生線程就是操作系統線程或叫系統線程。

Go語言引入用戶層輕量級線程（Goroutine），它由Go運行時負責調度。Goroutine相比傳統操作系統線程而言有如下優勢。

  • 資源占用小，每個Goroutine的初始棧大小僅為2KB，且支持動態伸縮，避免內存浪費；
  • 由Go運行時而不是操作系統調度，goroutine上下文切換代價較小；
  • 內置channel作為goroutine間通信原語，為并發設計提供強大支撐。

了解Go調度原理

Go 語言實現了調度器（scheduler），它負責將 goroutine 分配到原生線程上執行。

G-P-M模型

Go 語言中的調度模型（G-P-M模型）它包含了三個重要組件：G（goroutine）、P（processor）、M（machine）。

GPM

  • G（goroutine）：一個執行單元，這里也就是 goroutine，它包含了執行代碼所需的信息，比如棧空間、程序計數器等。
  • P（processor）：P 一個邏輯處理器，它負責執行 goroutine。每個 P 維護了一個 goroutine 隊列，它可以將 goroutine 分配到 M（系統線程）上執行。P 的數量由 GOMAXPROCS 環境變量決定，默認值為 CPU 的邏輯核心數。
  • M（machine）：一個系統線程（machine），它負責執行 goroutine 的真正計算工作。M 與操作系統的線程直接綁定，負責實際的計算任務，比如執行 goroutine 的函數、系統調用等。Go 語言的調度器會將多個 goroutine 映射到少量的系統線程上執行。

搶占式調度

在上面模型中，如果某個G處于死循環或長時間執行（比如：進行系統調用，IO操作），那么P隊列里面的G就長時間得不到執行，為了解決此問題，需要使用搶占式調度。

Java 中有以下兩種搶占式調度算法

  1. 優先級調度（Priority Scheduling）：

    • 每個線程都有一個優先級，高優先級的線程會比低優先級的線程更容易獲得CPU的執行權（注意：設置了優先級不是絕對優先執行，只是概率上高）。
    • 在Java中，線程的優先級范圍是從Thread.MIN_PRIORITY（1）到Thread.MAX_PRIORITY（10），默認是Thread.NORM_PRIORITY（5）。

  2. 時間片輪轉調度（Round Robin Scheduling）：

    • 每個線程被分配一個固定的時間片，當該線程的時間片用完時，操作系統會暫停它的執行，將CPU控制權交給下一個線程。
    • 在Java中，時間片輪轉調度通過yield()方法來實現。當線程調用yield()時，它就會主動放棄CPU的執行權，讓其他線程有機會執行。

Go 語言與Java搶占調度不同，Java是實際上是操作系統時間片輪轉調度，發生在內核層。Go 搶占調度是發生在用戶層，由 Go 運行時管理，通過軟件定時器和搶占點來實現搶占。

Go 程序啟動時會創建一個線程（稱為監控線程），該線程運行一個內部函數?sysmon?，用來進行系統監控任務，如垃圾回收、搶占調度、監視死鎖等。這個函數在后臺運行，確保 Go 程序的正常運行。

func main() {...if GOARCH != "wasm" { // 系統棧上的函數執行systemstack(func() {  newm(sysmon, nil, -1) // 用于創建新的 M（機器，代表一個操作系統線程）。})} ...
}

sysmon?每20us~10ms啟動一次，大體工作：

  • 釋放閑置超過5分鐘的span物理內存；
  • 如果超過2分鐘沒有垃圾回收，強制執行；
  • 將長時間未處理的netpoll結果添加到任務隊列；
  • 向長時間運行的G任務發出搶占調度；
  • 收回因syscall長時間阻塞的P。

具體來說，以下情況會觸發搶占式調度：

  1. 系統調用：當一個 goroutine 執行系統調用時，調度器會將該 goroutine 暫停，并將處理器分配給其他可運行的 goroutine。一旦系統調用完成，被暫停的 goroutine 可以繼續執行。
  2. 函數調用：當一個 goroutine 調用一個阻塞的函數（如通道的發送和接收操作、鎖的加鎖和解鎖操作等）時，調度器會將該 goroutine 暫停，并將處理器分配給其他可運行的 goroutine。一旦被阻塞的函數可以繼續執行，被暫停的 goroutine 可以繼續執行。
  3. 時間片耗盡：每個 goroutine 在運行一段時間后都會消耗一個時間片。當時間片耗盡時，調度器會將當前正在運行的 goroutine 暫停，并將處理器分配給其他可運行的 goroutine。被暫停的 goroutine 將會被放入到就緒隊列中，等待下一次調度。

GO并發模型

Go 使用 CSP（Communicating Sequential Processes，通信順序進程）并發編程模型，該模型由計算機科學家 Tony Hoare 在 1978 年提出。

在Go中，針對CSP模型提供了三種并發原語：

  • goroutine：對應CSP模型中的P（原意是進程，在這里也就是goroutine），封裝了數據的處理邏輯，是Go運行時調度的基本執行單元。
  • channel：對應CSP模型中的輸入/輸出原語，用于goroutine之間的通信和同步。
  • select：用于應對多路輸入/輸出，可以讓goroutine同時協調處理多個channel操作。

Go 奉行“不要通過共享內存來通信，而應通過通信來共享內存。”，也就是推薦通過channel來傳遞值，讓goroutine相互通訊協作。

channel 分為無緩沖和有緩沖，使用通道時遵循以下規范：

  1. 在無緩沖通道上，每一次發送操作都有對應匹配的接收操作。
  2. 對于從無緩沖通道進行的接收，發生在對該通道進行的發送完成之前。
  3. 對于帶緩沖的通道（緩存大小為C），通道中的第K個接收完成操作發生在第K+C個發送操作完成之前。
  4. 如果將C=0就是無緩沖的通道，也就是第K個接收完成在第K個發送完成之前。
func sender(ch chan<- int, done chan<- bool) {fmt.Println("Sending...")ch <- 42 // 發送數據到無緩沖通道fmt.Println("Sent")done <- true // 發送完成信號
}func receiver(ch <-chan int, done <-chan bool) {<-done // 等待發送操作完成信號fmt.Println("Receiving...")val := <-ch // 從無緩沖通道接收數據fmt.Println("Received:", val)
}func main() {ch := make(chan int) // 創建無緩沖通道done := make(chan bool) // 用于發送操作完成信號go sender(ch, done)   // 啟動發送goroutinego receiver(ch, done) // 啟動接收goroutinetime.Sleep(2 * time.Second) // 等待一段時間以觀察結果
}

有緩沖通道

func sender(ch chan<- int) {for i := 0; i < 5; i++ {fmt.Println("Sending:", i)ch <- i // 發送數據到通道fmt.Println("Sent:", i)}close(ch)
}func receiver(ch <-chan int) {for {val, ok := <-ch // 從通道接收數據if !ok {fmt.Println("Channel closed")return}fmt.Println("Received:", val)time.Sleep(1 * time.Second) // 模擬接收操作耗時}
}func main() {ch := make(chan int, 2) // 創建帶緩沖大小為2的通道go sender(ch)   // 啟動發送goroutinego receiver(ch) // 啟動接收goroutinetime.Sleep(10 * time.Second) // 等待一段時間以觀察結果
}

Go并發場景

并行計算

利用goroutine并發執行任務，加速計算過程。

// calculateSquare 是一個計算數字平方的函數，它模擬了一個耗時的計算過程。
func calculateSquare(num int, resultChan chan<- int) {time.Sleep(1 * time.Second) // 模擬耗時計算resultChan <- num * num
}func main() {nums := []int{1, 2, 3, 4, 5}resultChan := make(chan int)// 啟動多個goroutine并發計算數字的平方for _, num := range nums {go calculateSquare(num, resultChan)}// 從通道中接收計算結果并打印for range nums {result := <-resultChanfmt.Println("Square:", result)}close(resultChan)
}

IO密集型任務

在處理IO密集型任務時，可以使用goroutine和channel實現并發讀寫操作，提高IO效率。

// fetchURL 函數用于獲取指定URL的內容，并將結果發送到通道resultChan中。
func fetchURL(url string, resultChan chan<- string) {resp, err := http.Get(url)if err != nil {resultChan <- fmt.Sprintf("Error fetching %s: %s", url, err)return}defer resp.Body.Close()body, err := ioutil.ReadAll(resp.Body)if err != nil {resultChan <- fmt.Sprintf("Error reading response from %s: %s", url, err)return}resultChan <- string(body)
}func main() {urls := []string{"https://example.com", "https://example.org", "https://example.net"}resultChan := make(chan string)// 啟動多個goroutine并發獲取URL的內容for _, url := range urls {go fetchURL(url, resultChan)}// 從通道中接收結果并打印for range urls {result := <-resultChanfmt.Println("Response:", result)}close(resultChan)
}

并發數據處理

對于需要同時處理多個數據流的情況，可以使用goroutine和channel實現并發數據處理，例如數據流的合并、拆分、過濾等操作。

// processData 函數用于處理從dataStream中接收的數據，并將處理結果發送到resultChan中。
func processData(dataStream <-chan int, resultChan chan<- int) {for num := range dataStream {resultChan <- num * 2 // 假設處理數據是將數據乘以2}
}func main() {dataStream := make(chan int)resultChan := make(chan int)// 產生數據并發送到dataStream中go func() {for i := 1; i <= 5; i++ {dataStream <- i}close(dataStream)}()// 啟動goroutine并發處理數據go processData(dataStream, resultChan)// 從通道中接收處理結果并打印for range dataStream {result := <-resultChanfmt.Println("Processed Data:", result)}close(resultChan)
}

并發網絡編程

編寫網絡服務器或客戶端時，可以利用goroutine處理每個連接，實現高并發的網絡應用。

// handler 是一個HTTP請求處理函數，它會向客戶端發送"Hello, World!"的響應。
func handler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {fmt.Fprintf(w, "Hello, World!")
}func main() {// 注冊HTTP請求處理函數http.HandleFunc("/", handler)// 啟動HTTP服務器并監聽端口8080go http.ListenAndServe(":8080", nil)fmt.Println("Server started on port 8080")// 使用select{}使主goroutine保持運行狀態，以便HTTP服務器能夠處理請求select {}
}

定時任務和周期性任務

// task 是一個需要定時執行的任務函數。
func task() {fmt.Println("Task executed at:", time.Now())
}func main() {ticker := time.NewTicker(1 * time.Second)defer ticker.Stop()// 循環等待定時器的觸發并執行任務for {select {case <-ticker.C:task()}}
}

工作池

通過創建一組goroutine來處理任務池中的任務，可以有效地控制并發數量，適用于需要限制并發的情況。

// worker 是一個工作函數，它會從jobs通道中接收任務，并將處理結果發送到results通道中。
func worker(id int, jobs <-chan int, results chan<- int) {for job := range jobs {fmt.Printf("Worker %d started job %d\n", id, job)time.Sleep(1 * time.Second) // 模擬工作時間fmt.Printf("Worker %d finished job %d\n", id, job)results <- job * 2 // 假設工作的結果是輸入的兩倍}
}func main() {const numJobs = 10const numWorkers = 3jobs := make(chan int, numJobs)    // 緩沖channel用于發送任務results := make(chan int, numJobs) // 用于接收任務結果// 啟動多個worker goroutinevar wg sync.WaitGroupfor i := 1; i <= numWorkers; i++ {wg.Add(1)go func(id int) {defer wg.Done()worker(id, jobs, results)}(i)}// 發送任務到jobs channelfor j := 1; j <= numJobs; j++ {jobs <- j}close(jobs) // 關閉jobs channel// 等待所有worker完成并收集結果go func() {wg.Wait()close(results)}()// 從通道中接收處理結果并打印for result := range results {fmt.Println("Result:", result)}
}

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