Go程序设计语言(三)

本文译自Rob Pike的Go语言PPT教程 – "The Go Programming Language Part3(updated June 2011)"。由于该教程的最新更新时间早于Go 1版本发布，因此该PPT中的一些内容与Go 1语言规范略有差异，到时我会在相应的地方做上注解。

第三部分大纲

• 并发与通信
  • Goroutines
  • 通道(Channel)
  • 并发相关话题

并发与通信：Goroutines

Goroutines

术语：

对于"并发运行的事物"已经有了好多术语 – 进程、线程、协程(coroutine)、POSIX线程、NPTL线程、轻量级进程…，但这些事物都或多或少有不同。并且Go中的并发与哪种都不甚相同。

因此我们介绍一个新术语：goroutine。

定义

一个Goroutine是一个与其他goroutines运行在同一地址空间的Go函数或方法。一个运行的程序由一个或更多个goroutine组成。

它与线程、协程、进程等不同。它是一个goroutine。

注意：Concurrency与Parallelism是不同的概念。如果你不了解它们的不同，查查相关资料吧。

关于并发的问题有许多。我们后续会提及。现在就假设它能按其对外所宣称的那样正常工作吧。

启动一个Goroutine

调用一个函数或方法，然后说go：

func IsReady(what string, minutes int64) {
    time.Sleep(minutes * 60*1e9) // Unit is nanosecs.
    fmt.Println(what, "is ready")
}
go IsReady("tea", 6)
go IsReady("coffee", 2)
fmt.Println("I'm waiting…")

打印：

I'm waiting… (立即)
coffee is ready (2分钟后)
tea is ready (6分钟后)

一些简单的事实

goroutine的使用代价很低。

当从最外层函数返回，或执行到结尾处时，goroutine退出。

goroutines可以并行地在不同CPU上执行，共享内存。

你无需担心栈大小。

栈

在gccgo中，至少目前goroutines就是pthreads。在6g中，goroutines采用基于线程的多路复用技术，因此它们的代价更低廉。

无论是上面哪个实现，栈都很小(几KB)，可以根据需要增长。因此goroutines使用很少的内存。你可以创建很多goroutines，它们还可以动态拥有很大的栈。

程序员无需考虑栈大小相关话题。在Go中，这种考虑甚至不应该出现。

调度

Goroutine多路复用系统线程。当一个goroutine执行了一个阻塞的系统调用时，其他goroutine不会不阻塞。

计划后续实现CPU绑定的goroutines，不过目前用6g如果你想要用户层级别的并行，你必须设置环境变量GOMAXPROCS或调用runtime.GOMAXPROCS(n)。

GOMAXPROCS告诉运行时调度器有多少个用户空间goroutine即将同时执行，理想情况下在不同的CPU核上。

*gccgo总是为每个goroutine单独分配一个线程执行。

并发与通信：Channels

Go中的Channel

除非两个goroutine可以通信，否则它们无法协作。

Go中有一个名为channel的类型，提供通信和同步能力。

Go中还提供一些特殊的基于channel的控制结构，使得编写并发程序更加容易。

Channel类型

该类型最简单形式：
    chan elementType

通过这个类型的值，你可以发送和接收elementType类型的元素。

Channel是引用类型，这意味着如果你将一个chan变量赋值给另外一个，则这两个变量访问的是相同的channel。同样，这也意味着可以用make分配一个channel：

    var c = make(chan int)

通信操作符：<-

箭头指示数据流向。

作为一个二元操作符，<-将值从右侧发送到左侧的channel中：

c := make(chan int)
c <- 1 // 向c发送1

作为前缀一元操作符，<- 从一个channel中接收数据：

v = <-c // 从c中接收数据，赋值给v
<-c // 接收数据，丢弃
i := <-c // 接收值，用于初始化i

语义

默认情况下，通信是同步的。(我们后续将讨论异步通信)。这意味着：

1) A在一个channel上的发送操作会阻塞，直到该channel上有一个接收者就绪。
2) 在一个channel上到的接收操作会阻塞，直到该channel上有一个发送者就绪。

因此通信是同步的一种形式：两个通过channel交换数据的goroutine在通信的时刻同步。

让我们泵一些数据吧

func pump(ch chan int) {
    for i := 0; ; i++ { ch <- i }
}
ch1 := make(chan int)
go pump(ch1) // pump挂起; 我们运行
fmt.Println(<-ch1) // 打印 0

现在我们启动一个循环接收者：

func suck(ch chan int) {
    for { fmt.Println(<-ch) }
}
go suck(ch1) // 大量数字出现

你仍可以溜进去，抓取一个值：

fmt.Println(<-ch1) // 输出：3141159

返回channel的函数

在前面的例子中，pump像一个生成器，喷涌出值。但在分配channel等方面做了很多工作。让我们将其打包到一个返回channel的函数中：

func pump() chan int {
    ch := make(chan int)
    go func() {
        for i := 0; ; i++ { ch <- i }
    }()
    return ch
}
stream := pump()
fmt.Println(<-stream)// 打印 0

"返回channel的函数"是Go中的一个重要的惯用法。

到处都是返回channel的函数

我这里不再重复那些你可以从其他地方找到的知名例子。这里有些可以了解一下：

1) prime sieve: 在语言规范以及教程中。

2) Doug McIlroy的Power系列论文：http://plan9.bell-labs.com/who/rsc/thread/squint.pdf

这个程序的一个Go版本在测试套件中：http://golang.org/test/chan/powser1.go

Range和Channel

for循环的range子句接收channel作为一个操作数，在这种情况下，for循环迭代处理从channel接收到的值。我们来重写pump函数；这里是suck的重写，让它也启动一个goroutine：

func suck(ch chan int) {
    go func() {
        for v := range ch { fmt.Println(v) }
    }()
}
suck(pump()) // 现在不再阻塞

关闭一个Channel

range是如何知道何时channel上的数据传输结束了呢？发送者调用一个内置函数close：

    close(ch)

接收者使用"comma ok"测试发送者是否关闭了channel：

    val, ok:= <- ch

当结果为(value, true)，说明依然有数据；一旦channel关闭，数据流干，结果将会是(zero, false)。

在一个Channel上使用Range

在一个channel上使用range，诸如：

for value := range <-ch {
    use(value)
}

等价于：

for {
    value, ok := <-ch
    if !ok {
        break
    }
    use(value)
}

Close

关键点：

只有发送者可以调用close。
只有接收者可以询问是否channel被关闭了。
只有在获取值的同时询问(避免竞争)

只有在有必要通知接收者不会再有数据的时候才调用close。

大多数情况下，不需要用close；它与关闭一个文件没有可比性。

不管怎样，channel是可以垃圾回收的。

Channel的方向性

一个channel变量的最简单形式是一个非缓冲(同步的)值，该值可以用于进行发送和接收。

一个channel类型可以被指定为只发或只收：

var recvOnly <-chan int
var sendOnly chan<- int

Channel的方向性(2)

所有Channel创建时都是双向的，但我们可以将它们赋值给带方向性的channel变量。从类型安全性角度考虑，对于函数内的实例非常有用：

func sink(ch <-chan int) {
    for { <-ch }
}
func source(ch chan<- int) {
    for { ch <- 1 }
}
c := make(chan int)//双向的
go source(c)
go sink(c)

同步的Channel

同步的Channel是非缓冲的。发送动作不会完成，直到一个接收者接收这个值。

c := make(chan int)
go func() {
    time.Sleep(60*1e9)
    x := <-c
    fmt.Println("received", x)
}()

fmt.Println("sending", 10)
c <- 10
fmt.Println("sent", 10)

输出：

sending 10 (立即发生)
sent 10 (60秒后，这两行出现)
received 10

异步的Channel

通过告知make缓冲中元素的数量，我们可以创建一个带缓冲的、异步的channel。

c := make(chan int, 50)
go func() {
    time.Sleep(60*1e9)
    x := <-c
    fmt.Println("received", x)
}()
fmt.Println("sending", 10)
c <- 10
fmt.Println("sent", 10)

输出：

sending 10 (立刻发生)
sent 10(现在)
received 10 (60秒后)

缓冲不是类型的一部分

注意缓冲的大小甚至其自身都不是channel类型的一部分，只是值的一部分。因此下面的代码虽危险，但合法：

buf = make(chan int, 1)
unbuf = make(chan int)
buf = unbuf
unbuf = buf

缓冲是一个值的属性，而不是类型的。

Select

select是Go中的一个控制结构，类似于用于通信的switch语句。每个case必须是一个通信操作，要么是send要么是receive。

ci, cs := make(chan int), make(chan string)
select {
    case v := <-ci:
        fmt.Printf("received %d from ci\n", v)
    case v := <-cs:
        fmt.Printf("received %s from cs\n", v)
}

Select随机执行一个可运行的case。如果没有case可运行，它将阻塞，直到有case可运行。一个默认的子句应该总是可运行的。

Select语义

快速一览：

- 每个case都必须是一个通信(可能是:=)
- 所有channel表达式都会被求值
- 所有被发送的表达式都会被求值
- 如果任意某个通信可以进行，它就执行；其他被忽略。
- 如果有多个case都可以运行，Select会随机公平地选出一个执行。其他不会执行。
- 否则：
    – 如果有default子句，则执行该语句。
    – 如果没有default字句，select将阻塞，直到某个通信可以运行；Go不会重新对channel或值进行求值。

随机bit生成器

幼稚但很有说明性的例子：

c := make(chan int)
go func() {
    for {
        fmt.Println(<-c)
    }
}()

for {
    select {
        case c <- 0: //没有语句，没有fallthrough
        case c <- 1:
    }
}

测试可通信性

一个通信是否可以进行，而不阻塞？一个带default字句的select可以告诉我们：

select {
    case v := <-ch:
        fmt.Println("received", v)
    default:
        fmt.Println("ch not ready for receive")
}

如果没有其他case可以运行，那default子句将被执行，因此这对于非阻塞接收是一个惯用法；非阻塞发送显然也可以这么做。

超时

一个通信可以在一个给定的时间内成功完成么？time包包含了after函数：

func After(ns int64) <-chan int64

在指定时间段之后，它向返回的channel中传递一个值(当前时间)。

在select中使用它以实现超时：

select {
case v := <-ch:
    fmt.Println("received", v)
case <-time.After(30*1e9):
    fmt.Println("timed out after 30 seconds")
}

多路复用(multiplexing)

channel是原生值，这意味着他们也能通过channel发送。这个属性使得编写一个服务类多路复用器变得十分容易，因为客户端在提交请求时可一并提供用于回复应答的channel。

chanOfChans := make(chan chan int)

或者更典型的如：

type Reply struct { … }
type Request struct {
    arg1, arg2 someType
    replyc chan *Reply
}

多路复用服务器

type request struct {
    a, b int
    replyc chan int
}

type binOp func(a, b int) int
func run(op binOp, req *request) {
    req.replyc <- op(req.a, req.b)
}

func server(op binOp, service <-chan *request) {
    for {
        req := <-service // 请求到达这里
        go run(op, req) // 不等op
    }
}

启动服务器

使用"返回channel的函数"惯用法来为一个新服务器创建一个channel：

func startServer(op binOp) chan<- *request {
    service := make(chan *request)
    go server(op, req)
    return service
}

adderChan := startServer(
    func(a, b int) int { return a + b }
)

客户端

在教程中有个例子更为详尽，但这里是一个变体：

func (r *request) String() string {
    return fmt.Sprintf("%d+%d=%d",
    r.a, r.b, <-r.replyc)
}
req1 := &request{7, 8, make(chan int)}
req2 := &request{17, 18, make(chan int)}

请求已经就绪，发送它们：

adderChan <- req1
adderChan <- req2

可以以任何顺序获得结果；r.replyc多路分解：

fmt.Println(req2, req1)

停掉

在多路复用的例子中，服务将永远运行下去。要将其干净地停掉，可通过一个channel发送信号。下面这个server具有相同的功能，但多了一个quit channel：

func server(op binOp, service <-chan *request,
            quit <-chan bool) {
    for {
        select {
            case req := <-service:
                go run(op, req) // don't wait for it
            case <-quit:
                return
        }
    }
}

启动服务器

其余代码都相似，只是多了个channel：

func startServer(op binOp) (service chan<- *request,
        quit chan<- bool) {
    service = make(chan *request)
    quit = make(chan bool)
    go server(op, service, quit)
    return service, quit
}

adderChan, quitChan := startServer(
    func(a, b int) int { return a + b }
)

停掉：客户端

只有当准备停掉服务端的时候，客户端才会受到影响：

req1 := &request{7, 8, make(chan int)}
req2 := &request{17, 18, make(chan int)}
adderChan <- req1
adderChan <- req2
fmt.Println(req2, req1)

所有都完成后，向服务器发送信号，让其退出：

quitChan <- true

链

package main
import ("flag"; "fmt")
var nGoroutine = flag.Int("n", 100000, "how many")
func f(left, right chan int) { left <- 1 + <-right }
func main() {
    flag.Parse()
    leftmost := make(chan int)
    var left, right chan int = nil, leftmost

    for i := 0; i < *nGoroutine; i++ {
        left, right = right, make(chan int)
        go f(left, right)
    }

    right <- 0 // bang!

    x := <-leftmost // 等待完成
    fmt.Println(x)    // 100000
}

例子：Channel作为缓存

var freeList = make(chan *Buffer, 100)
var serverChan = make(chan *Buffer)

func server() {
    for {
        b := <-serverChan // 等待做work
        process(b) // 在缓存中处理请求
        select {
            case freeList <- b: // 如果有空间，重用缓存
            default:             // 否则，丢弃它
        }
    }
}

func client() {
    for {
        var b *Buffer
        select {
            case b = <-freeList:            // 如果就绪，抓取一个
            default: b = new(Buffer) // 否则，分配一个
        }
        load(b)// 读取下一个请求放入b中
        serverChan <- b // 将请求发给server.
    }
}

并发

并发相关话题

许多并发方面，当然，Go一直在尽力做好它们。诸如Channel发送和接收是原子的。select语句也是缜密定义和实现的等。

但goroutine在共享内存中运行，通信网络可能死锁，多线程调试器糟糕透顶等等。

接下来做什么？

Go给予你原生的

不要用你在使用C或C++或甚至是Java时的方式去编程。

channel给予你同步和通信的能力，并且使得它们很强大，但也可以很容易知道你是否可以很好的使用它们。

规则是：

    不要通过共享内存通信，相反，通过通信共享内存。

特有的通信行为保证了同步！

模型

例如，使用一个channel发送数据到一个专职服务goroutine。如果同一时刻只有一个goroutine拥有指向数据的指针，那谈不上什么并发。

这是我们极力推荐的服务端编程模型，至少是对旧的"每个客户端一个线程"的泛化。它自从20世纪80年代就开始使用了，它工作的很好。

 

内存模型

那关于同步和共享内存的令人生厌的细节在：

http://golang.org/doc/go_mem.html

但如果你遵循我们的方法，你很少需要理解那些内容。

© 2012, bigwhite. 版权所有.

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