Golang 并發機制 CSP模型

1 前言

go語言的最大兩個亮點，一個是 goroutine ，一個就是 chan 了。二者合體的典型應用CSP，基本就是大家認可的并行開發神器，簡化了并行程序的開發難度，我們來看一下CSP。

2 CSP是什么

CSP 是 Communicating Sequential Process 的簡稱，中文可以叫做 通信順序進程 ，是一種并發編程模型，是一個很強大的并發數據模型，是上個世紀七十年代提出的，用于描述兩個獨立的并發實體通過共享的通訊 channel(管道) 進行通信的并發模型。相對于Actor模型，CSP中channel是第一類對象，它不關注發送消息的實體，而關注與發送消息時使用的channel。

嚴格來說，CSP 是一門形式語言（類似于calculus），用于描述并發系統中的互動模式，也因此成為一眾面向并發的編程語言的理論源頭，并衍生出了 Occam/Limbo/Golang…

而具體到編程語言，如 Golang，其實只用到了 CSP 的很小一部分，即理論中的 Process/Channel（對應到語言中的 goroutine/channel）：這兩個并發原語之間沒有從屬關系， Process 可以訂閱任意個 Channel，Channel 也并不關心是哪個 Process 在利用它進行通信；Process 圍繞 Channel 進行讀寫，形成一套有序阻塞和可預測的并發模型。

3 Golang CSP

與主流語言通過共享內存來進行并發控制方式不同，Go 語言采用了 CSP 模式。這是一種用于描述兩個獨立的并發實體通過共享的通訊 Channel（管道）進行通信的并發模型。

Golang 就是借用CSP模型的一些概念為之實現并發進行理論支持，其實從實際上出發，go語言并沒有完全實現了CSP模型的所有理論，僅僅是借用了 process和channel這兩個概念。process是在go語言上的表現就是 goroutine 是實際并發執行的實體，每個實體之間是通過channel通訊來實現數據共享。

Go語言的CSP模型是由協程Goroutine與通道Channel實現：

• Go協程goroutine: 是一種輕量線程，它不是操作系統的線程，而是將一個操作系統線程分段使用，通過調度器實現協作式調度。是一種綠色線程，微線程，它與Coroutine協程也有區別，能夠在發現堵塞后啟動新的微線程。
• 通道channel: 類似Unix的Pipe，用于協程之間通訊和同步。協程之間雖然解耦，但是它們和Channel有著耦合。

4 Channel

Goroutine 和 channel 是 Go 語言并發編程的 兩大基石。Goroutine 用于執行并發任務，channel 用于 goroutine 之間的同步、通信。

Channel 在 gouroutine 間架起了一條管道，在管道里傳輸數據，實現 gouroutine 間的通信；由于它是線程安全的，所以用起來非常方便；channel 還提供 “先進先出” 的特性；它還能影響 goroutine 的阻塞和喚醒。

相信大家一定見過一句話：

Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.
不要通過共享內存來通信，而要通過通信來實現內存共享。

這就是 Go 的并發哲學，它依賴 CSP 模型，基于 channel 實現。

channel 實現 CSP

Channel 是 Go 語言中一個非常重要的類型，是 Go 里的第一對象。通過 channel，Go 實現了通過通信來實現內存共享。Channel 是在多個 goroutine 之間傳遞數據和同步的重要手段。

使用原子函數、讀寫鎖可以保證資源的共享訪問安全，但使用 channel 更優雅。

channel 字面意義是 “通道”，類似于 Linux 中的管道。聲明 channel 的語法如下：

chan T // 聲明一個雙向通道
chan<- T // 聲明一個只能用于發送的通道
<-chan T // 聲明一個只能用于接收的通道COPY

單向通道的聲明，用 <- 來表示，它指明通道的方向。你只要明白，代碼的書寫順序是從左到右就馬上能掌握通道的方向是怎樣的。

因為 channel 是一個引用類型，所以在它被初始化之前，它的值是 nil ，channel 使用 make 函數進行初始化。可以向它傳遞一個 int 值，代表 channel 緩沖區的大小（容量），構造出來的是一個緩沖型的 channel；不傳或傳 0 的，構造的就是一個非緩沖型的 channel。

兩者有一些差別：非緩沖型 channel 無法緩沖元素，對它的操作一定順序是 “ 發送 -> 接收 -> 發送 -> 接收 -> ……”，如果想連續向一個非緩沖 chan 發送 2 個元素，并且沒有接收的話，第一次一定會被阻塞；對于緩沖型 channel 的操作，則要 “寬松” 一些，畢竟是帶了 “緩沖” 光環。

通道（channel）模型

對 chan 的發送和接收操作都會在編譯期間轉換成為底層的發送接收函數。

Channel 分為兩種：帶緩沖、不帶緩沖。對不帶緩沖的 channel 進行的操作實際上可以看作 “同步模式”，帶緩沖的則稱為 “異步模式”。

同步模式下，發送方和接收方要同步就緒，只有在兩者都 ready 的情況下，數據才能在兩者間傳輸（后面會看到，實際上就是內存拷貝）。否則，任意一方先行進行發送或接收操作，都會被掛起，等待另一方的出現才能被喚醒。

異步模式下，在緩沖槽可用的情況下（有剩余容量），發送和接收操作都可以順利進行。否則，操作的一方（如寫入）同樣會被掛起，直到出現相反操作（如接收）才會被喚醒。

• 同步模式下，必須要使發送方和接收方配對，操作才會成功，否則會被阻塞；
• 異步模式下，緩沖槽要有剩余容量，操作才會成功，否則也會被阻塞。

簡單來說，CSP 模型由并發執行的實體（線程或者進程或者協程）所組成，實體之間通過發送消息進行通信，
這里發送消息時使用的就是通道，或者叫 channel。

CSP 模型的關鍵是關注 channel，而不關注發送消息的實體。Go 語言實現了 CSP 部分理論，goroutine 對應 CSP 中并發執行的實體，channel 也就對應著 CSP 中的 channel。

5 Goroutine

Goroutine 是實際并發執行的實體，它底層是使用協程(coroutine)實現并發，coroutine是一種運行在用戶態的用戶線程，類似于 greenthread，go底層選擇使用coroutine的出發點是因為，它具有以下特點：

• 用戶空間 避免了內核態和用戶態的切換導致的成本
• 可以由語言和框架層進行調度
• 更小的棧空間允許創建大量的實例

可以看到第二條 用戶空間線程的調度不是由操作系統來完成的，像在java 1.3中使用的greenthread的是由JVM統一調度的(后java已經改為內核線程)，還有在ruby中的fiber(半協程) 是需要在重新中自己進行調度的，而goroutine是在golang層面提供了調度器，并且對網絡IO庫進行了封裝，屏蔽了復雜的細節，對外提供統一的語法關鍵字支持，簡化了并發程序編寫的成本。

6 Goroutine 調度器

Go并發調度: GPM模型

在操作系統提供的內核線程之上，Go搭建了一個特有的兩級線程模型。goroutine機制實現了M : N的線程模型，goroutine機制是協程（coroutine）的一種實現，golang內置的調度器，可以讓多核CPU中每個CPU執行一個協程。

7 總結

Golang 的 channel 將 goroutine 隔離開，并發編程的時候可以將注意力放在 channel 上。在一定程度上，這個和消息隊列的解耦功能還是挺像的。如果大家感興趣，還是來看看 channel 的源碼吧，對于更深入地理解 channel 還是挺有用的。

Go 通過 channel 實現 CSP 通信模型，主要用于 goroutine 之間的消息傳遞和事件通知。

有了 channel 和 goroutine 之后，Go 的并發編程變得異常容易和安全，得以讓程序員把注意力留到業務上去，實現開發效率的提升。

參考

• https://blog.csdn.net/kenkao/article/details/124255627