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GoLang之协程

 

目前，WebServer几种主流的并发模型：

  • 多线程，每个线程一次处理一个请求，在当前请求处理完成之前不会接收其它请求；但在高并发环境下，多线程的开销比较大；
  • 基于回调的异步IO，如Nginx服务器使用的epoll模型，这种模式通过事件驱动的方式使用异步IO，使服务器持续运转，但人的思维模式是串行的，大量回调函数会把流程分割，对于问题本身的反应不够自然；
  • 协程，不需要抢占式调度，可以有效提高线程的任务并发性，而避免多线程的缺点；但原生支持协程的语言还很少。

 

协程（coroutine）是Go语言中的轻量级线程实现，由Go运行时（runtime）管理。

在一个函数调用前加上go关键字，这次调用就会在一个新的goroutine中并发执行。当被调用的函数返回时，这个goroutine也自动结束。需要注意的是，如果这个函数有返回值，那么这个返回值会被丢弃。

 

先看下面的例子：

func Add(x, y int) {
    z := x + y
    fmt.Println(z)
}

func main() {
    for i:=0; i<10; i++ {
        go Add(i, i)
    }
}

执行上面的代码，会发现屏幕什么也没打印出来，程序就退出了。
对于上面的例子，main()函数启动了10个goroutine，然后返回，这时程序就退出了，而被启动的执行Add()的goroutine没来得及执行。我们想要让main()函数等待所有goroutine退出后再返回，但如何知道goroutine都退出了呢？这就引出了多个goroutine之间通信的问题。

 

在工程上，有两种最常见的并发通信模型：共享内存和消息。

来看下面的例子，10个goroutine共享了变量counter，每个goroutine执行完成后，将counter值加1.因为10个goroutine是并发执行的，所以我们还引入了锁，也就是代码中的lock变量。在main()函数中，使用for循环来不断检查counter值，当其值达到10时，说明所有goroutine都执行完毕了，这时main()返回，程序退出。

package main
import (
    "fmt"
    "sync"
    "runtime"
)

var counter int = 0

func Count(lock *sync.Mutex) {
    lock.Lock()
    counter++
    fmt.Println("counter =", counter)
    lock.Unlock()
}


func main() {

    lock := &sync.Mutex{}

    for i:=0; i<10; i++ {
        go Count(lock)
    }

    for {
        lock.Lock()

        c := counter

        lock.Unlock()

        runtime.Gosched()　　　　// 出让时间片

        if c >= 10 {
            break
        }
    }
}

上面的例子，使用了锁变量（属于一种共享内存）来同步协程，事实上Go语言主要使用消息机制（channel）来作为通信模型。

 

 

 

channel

消息机制认为每个并发单元是自包含的、独立的个体，并且都有自己的变量，但在不同并发单元间这些变量不共享。每个并发单元的输入和输出只有一种，那就是消息。

channel是Go语言在语言级别提供的goroutine间的通信方式，我们可以使用channel在多个goroutine之间传递消息。channel是进程内的通信方式，因此通过channel传递对象的过程和调用函数时的参数传递行为比较一致，比如也可以传递指针等。
channel是类型相关的，一个channel只能传递一种类型的值，这个类型需要在声明channel时指定。

 

channel的声明形式为：
var chanName chan ElementType

举个例子，声明一个传递int类型的channel：

var ch chan int

 

使用内置函数make()定义一个channel：

ch := make(chan int)

 

在channel的用法中，最常见的包括写入和读出：

// 将一个数据value写入至channel，这会导致阻塞，直到有其他goroutine从这个channel中读取数据
ch <- value

// 从channel中读取数据，如果channel之前没有写入数据，也会导致阻塞，直到channel中被写入数据为止
value := <-ch

 

可以关闭不再使用的channel：

close(ch)

 

 我们还可以创建一个带缓冲的channel：

c := make(chan int, 1024)

// 从带缓冲的channel中读数据
for i:=range c {
　　...
}

此时，创建一个大小为1024的int类型的channel，即使没有读取方，写入方也可以一直往channel里写入，在缓冲区被填完之前都不会阻塞。

 

现在利用channel来重写上面的例子：

func Count(ch chan int) {
    ch <- 1
    fmt.Println("Counting")
}

func main() {

    chs := make([] chan int, 10)

    for i:=0; i<10; i++ {
        chs[i] = make(chan int)
        go Count(chs[i])
    }

    for _, ch := range(chs) {
        <-ch
    }
}

在这个例子中，定义了一个包含10个channel的数组，并把数组中的每个channel分配给10个不同的goroutine。在每个goroutine完成后，向goroutine写入一个数据，在这个channel被读取前，这个操作是阻塞的。在所有的goroutine启动完成后，依次从10个channel中读取数据，在对应的channel写入数据前，这个操作也是阻塞的。这样，就用channel实现了类似锁的功能，并保证了所有goroutine完成后main()才返回。

另外，我们在将一个channel变量传递到一个函数时，可以通过将其指定为单向channel变量，从而限制该函数中可以对此channel的操作。

单向channel变量的声明：

var ch1 chan int  　　　　// 普通channel
var ch2 chan <- int 　　 // 只用于写int数据
var ch3 <-chan int 　　 // 只用于读int数据

 

可以通过类型转换，将一个channel转换为单向的：

ch4 := make(chan int)
ch5 := <-chan int(ch4)   // 单向读
ch6 := chan<- int(ch4)  //单向写

 

单向channel的作用有点类似于c++中的const关键字，用于遵循代码“最小权限原则”。

例如在一个函数中使用单向读channel：

func Parse(ch <-chan int) {
    for value := range ch {
        fmt.Println("Parsing value", value) 
    }
}

 

channel作为一种原生类型，本身也可以通过channel进行传递，例如下面这个流式处理结构：

type PipeData struct {
    value int
    handler func(int) int
    next chan int
}

func handle(queue chan *PipeData) {
    for data := range queue {
        data.next <- data.handler(data.value)
    }
}

 

 

 

select

在UNIX中，select()函数用来监控一组描述符，该机制常被用于实现高并发的socket服务器程序。Go语言直接在语言级别支持select关键字，用于处理异步IO问题，大致结构如下：

select {
    case <- chan1:
    // 如果chan1成功读到数据
    
    case chan2 <- 1:
    // 如果成功向chan2写入数据

    default:
    // 默认分支
}

 

Go语言没有对channel提供直接的超时处理机制，但我们可以利用select来间接实现，例如：

timeout := make(chan bool, 1)

go func() {
    time.Sleep(1e9)
    timeout <- true
}()

switch {
    case <- ch:
    // 从ch中读取到数据

    case <- timeout:
    // 没有从ch中读取到数据，但从timeout中读取到了数据
}

这样使用select就可以避免永久等待的问题，因为程序会在timeout中获取到一个数据后继续执行，而无论对ch的读取是否还处于等待状态。

 

 

 

同步锁

Go语言包中的sync包提供了两种锁类型：sync.Mutex和sync.RWMutex，前者是互斥锁，后者是读写锁。

使用锁的经典模式：

var lck sync.Mutex
func foo() {
    lck.Lock() 
    defer lck.Unlock()
    // ...
}

lck.Lock()会阻塞直到获取锁，然后利用defer语句在函数返回时自动释放锁。

 

对于从全局角度只需要运行一次的代码，比如全局初始化操作，Go语言提供了一个once类型来保证全局的唯一性操作，如下：

var flag int32
var once sync.Once

func initialize() {
    flag = 3
    fmt.Println(flag)
}

func setup() {
    once.Do(initialize)
}

func main() {

    setup()    
    setup()    
}

flag只别打印 了一次。

 

另外，为了更好的地控制并行中的原子操作，sync包还提供了一个atomic子包，支持对于一些基础数据类型的原子操作函数，比如经典的CAS函数：

func CompareAndSwapUnit64(val *uint64, old, new uint64) (swapped bool)