15 Go语言并发1——Goroutine

杨旭 · · 555 次点击 · · 开始浏览    
这是一个创建于 的文章,其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。

Go语言并发1——Goroutine

[TOC]

1、并发和并行

1.1 进程和线程

进程:程序启动时(比如qq),操作系统位程序开启一个进程。可以把它看做是操作系统进行资源分配和调度的一个容器,里面包含了该应用程序用到的所有资源。

线程:是一个独立的执行空间,用来被系统调度来运行程序代码。比如我下载文件,操作系统调度会安排到合适的cpu上进行执行,并且不定是该程序进程所在的cpu。这个调度我们不用关心。

也就是一个进程可以有好多个线程,线程用来执行具体的任务。每个进程的初始线程叫做主线程,所以进程至少有一个线程。

在这里插入图片描述

上图,系统的调度器来调度线程在合适的cpu上运行。

1.2 并发和并行的概念

并发:多线程或多协程在一核cpu上运行就是所谓的并发,都是cpu通过切换时间片给人一种并发的感觉。

并行:是真正意义上的并发,就是多核cpu同时去处理多个线程,互不干扰,并行处理。

并发不是并行:并行是让不同的代码片段同时在不同的cpu上执行,利用多核的优势。并发是通过非常快切换时间片来实现“同时”运行。并行的关键是同时做很多的事情,而并发是指同时管理很多事情,这些事情可能只做了一半就暂停做别的任务。

总结:并发优于并行,可以有效利用资源。go语言可以利用多核,通过goroutine 高效并发。

1.3 go语言逻辑处理器和调度器了解

go语言通过一个叫做goroutine的东西进行并发执行,每一个goroutine就是一个独立的工作单元,可以执行我们的程序代码。goroutine是类似协程(coroutine)的东西,可以理解为一个更轻量的线程。goroutine的具体使用后面再讲,目前我们来看一下go语言是如何通过goroutine实现并发的。

目前可以理解为:goroutine是个执行代码的独立工作单元,需要将它放到合适的线程和cpu上进行执行。这就需要go语言的逻辑处理器和调度器。

go语言中支撑整个scheduler实现的主要有4个重要结构,分别是M、G、P、Sched。

  • Sched结构就是调度器,它维护有存储M和G的队列以及调度器的一些状态信息等。
  • M结构是Machine,系统线程,它由操作系统管理的,goroutine就是跑在M之上的;M是一个很大的结构,里面维护小对象内存cache(mcache)、当前执行的goroutine、随机数发生器等等非常多的信息。
  • P结构是Processor,逻辑处理器,它的主要用途就是用来执行goroutine的,它维护了一个goroutine队列,即runqueue。Processor是让我们从N:1调度到M:N调度的重要部分。
  • G是goroutine实现的核心结构,它包含了栈,指令指针,以及其他对调度goroutine很重要的信息,例如其阻塞的channel。

这里借用一张图来看下:

在这里插入图片描述

注意:go1.5之后为每个cpu创建一个逻辑处理器。

我们从一个goroutine被创建到goroutine被执行的过程来看一下go是如何实现调度的。

(1)创建一个goroutine,它会放在全局运行队列中,等待调度器调度

(2)调度器将这个goroutine 分配给一个逻辑处理器A,将它放到了这个逻辑处理器的本地队列中,这个goroutine就会等待逻辑处理器A执行

(3)每个逻辑处理器默认绑定了一个线程,它是在线程中去执行自己本地队列中的goroutine。

  • 如果逻辑处理器目前运行的goroutine是阻塞的,比如打开文件操作。

(4)逻辑处理器和原来的线程分离,调度器重新创建一个线程和这个逻辑处理器绑定。这时候逻辑处理器在新的线程上继续执行本地运行队列的其他goroutine。 同时,阻塞的goroutine随着线程分离,从本地队列移除。

(5)那个阻塞的goroutine和分离的线程会继续阻塞,等待系统调用的返回。一旦执行完成并返回,这个goroutine就会重新放回到原来逻辑处理器的本地队列。

(6)之前的线程目前没有goroutine了,但是它会被保存,以备之后使用。

调度器对可以创建的逻辑处理器的数量没有限制,但语言运行时默认限制每个程序最多创建 10 000 个线程。这个
限制值可以通过调用 runtime/debug 包的 SetMaxThreads 方法来更改。

小结:

概念 说明
进程 一个程序对应的资源容器
线程 一个独立的执行空间,一个进程可以有多个线程
goroutine 同样是独立的执行空间,但是一个线程可以有多个goroutine
逻辑处理器 绑定一个线程,运行goroutine
调度器 将goroutine分配到合适的逻辑处理器
全局运行队列 所有刚创建的goroutine都在这
本地运行队列 逻辑处理器的goroutine队列

所以,我们可以利用多核cpu,调度器创建多个逻辑处理器,然后每个逻辑处理器可以绑定一个线程去运行多个goroutine。这样我们就充分利用了多核资源实现并发处理,比单纯的多线程更加优秀,高效,省资源。

注意:上面第(4)(5)步,如果goroutine 是在执行网络io的操作,这个goroutine就不一定就回到这个逻辑处理器了。它实际上会先从逻辑处理器分离,移到集成了网络轮询器的运行时 ,一旦该轮询器指示某个网络读或者写操作已经就绪,对应的 goroutine 就会重新分配到逻辑处理器上来完成操作 。

看到这我们重温下并发和并行:

go语言实现并发,创建多个goroutine,调度器会将goroutine分配到逻辑处理器的本地运行队列,逻辑处理器去运行goroutine。如果只有一个逻辑处理器,只会实现并发,不会实现并行。

要实现并行,就需要多个逻辑处理器,在不同的cpu上,然后调度器会平等的将goroutine分配到每个逻辑处理器,这样多个线程多个goroutine就实现了并行和并发。 至于这些算法怎么调度,我们根本不需要关心,我们只要记住goroutine是我们进行并发编程的一个独立单元就可以了。

2、goroutine使用

goroutine其实是官方实现的超级“轻量线程池”。每个实例4~5kb的占内存占用,更加轻量。只需在函数调⽤语句前添加 go 关键字,就可创建并发执⾏单元。开发⼈员⽆需了解任何执⾏细节,调度器会⾃动将其安排到合适的系统线程上执⾏。

2.1 go 关键字创建goroutine

package main
import (
    "fmt"
    "time"
)
func main() {
    //通过go 关键字 +匿名函数就可以开启一个goroutine
    go func() { 
        fmt.Println("Hello, World!")
    }()
    //由于main函数也是一个goroutine,如果不让线程等待,那么main方法执行完,就退出了,还来不及打印helloworld
    time.Sleep(1 * time.Second)
}

2.2 简单使用waitgroup同步

WaitGroup能够一直等到所有的goroutine执行完成,并且阻塞主线程的执行,直到所有的goroutine执行完成。

WaitGroup总共有三个方法:Add(delta int),Done(),Wait()。简单的说一下这三个方法的作用。

方法名 说明
Add 添加或者减少等待goroutine的数量;
Done 相当于Add(-1),减少一个需要等待的goroutine数量
Wait 进行等待,需等待的goroutine数量为0

WaitGroup用于线程同步,WaitGroup等待一组线程集合完成,才会继续向下执行。 主线程(goroutine)调用Add来设置等待的线程(goroutine)数量。 然后每个线程(goroutine)运行,并在完成后调用Done。 同时,Wait用来阻塞,直到所有线程(goroutine)完成才会向下执行。

package main
import (
    "fmt"
    "runtime"
    "sync"
)
func main() {
    runtime.GOMAXPROCS(1)//只使用1个物理处理器
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(2) //添加需要等待goroutine数量
    fmt.Println("开启两个goroutine")
    go func() {
        defer  wg.Done()//函数结束时通知main函数执行完毕
        for i:=0;i<1000;i++{
            fmt.Println("A:",i)
        }
    }()
    go func() {
        defer wg.Done()//函数结束时通知main函数执行完毕
        for i := 0; i < 1000; i++ {
            fmt.Println("B:",i)
        }
    }()
    fmt.Println("等待goroutine运行")
    wg.Wait()
    fmt.Println("程序结束")
}

从上面的代码我们可以看到,我们用sync包下的waitgroup 来进行线程等待,避免main函数执行完来不及执行goroutine就退出的情况。waitgroup详情下面会讲。我们用go关键字+匿名函数 开启了两个goroutine,来并发的去打印,但是因为这个1000个打印速度太快了,还没来得及切换goroutine就第一个就已经打印完了,所以你可能会输出,A打印完了才打印B这种顺序输出。我们可以增加一下打印时间,就能看到他们是并发打印的了。比如加个time.Sleep(time.Millisecond) 。 这段代码中有一个runtime.GOMAXPROCS(1),这是go语言可以指定程序运行使用的cpu核数,我们可以设置多个,来实现并行。

一般来说,通过runtime.GOMAXPROCS(runtime.NumCPU())可以设置本机逻辑CPU的数量,不是物理CPU,比如一个双核CPU,带有超线程技术,则会被认为是4个逻辑CPU。 runtime.Gosched () 可以让出底层线程,让其他goroutine 使用,runtime.Goexit 将立即终止当前goroutine 执行

runtime 小结:

runtime.GOMAXPROCS()  //设置使用的逻辑处理器数量
runtime.NumCPU()   //本地逻辑cpu的数量
runtime.Gosched()  // 将当前goroutine的线程让给别的goroutine,自己进入运行队列等待
runtime.Goexit()   //立即终止当前goroutine 运行
runtime.GOROOT()    //获取go的根目录
runtime.GOOS        // 获取操作系统信息

2.3 WaitGroup 传值问题

sync.WaitGroup 类型的变量是一个值类型,如果在函数间进行传递,是值传递,这样执行Done()和 wait()方法就不是同一个 WaitGroup了,就会出现死锁,所以传递时必须传递指针。 代码如下:

package main
import (
    "fmt"
    "sync"
)
func main() {
    wg := new(sync.WaitGroup)
    for i := 0; i < 5; i++ {
        wg.Add(1)
        go func(wg *sync.WaitGroup, i int) {
            fmt.Printf("i=>%d\n", i)
            wg.Done()
        }(&wg, i) //这里要传指针就对了
    }
    wg.Wait()
}

3、资源竞争

如果两个或者多个 goroutine 在没有互相同步的情况下,访问某个共享的资源,并试图同时读和写这个资源,就处于相互竞争的状态,这种情况被称作竞争状态(race candition)。 我们要做的是:同一时刻只能有一个 goroutine 对共享资源进行读和写操作 。

package main
import (
    "fmt"
    "runtime"
    "sync"
)
var (
    count int
    wg sync.WaitGroup
)
func main(){
    wg.Add(2)
    //开启两个goroutine
    go incCount(1)
    go incCount(2)
    wg.Wait()
    fmt.Println("最终结果:",count)
}
//执行两次  count++
func incCount(id int) {
    defer  wg.Done()
    for i:=0;i<2;i++{
        value:=count
        runtime.Gosched()
        value++
        count=value
    }
}
//输出
最终结果: 2

从上面可以看出,我们开启两个goroutine,每个goroutine,都执行了两个value++并赋值给count,也就是说最终的结果应该是4,但是现在确是2。 毫无疑问,在对count 进行读写的时候,两个goroutine进行了资源竞争,并且没有同步。

在这里插入图片描述

程序运行就像图中所示,两个goroutine在进行切换的时候,并没有同步count的数量,并且他们相互覆盖了对方,导致各自有一般的工作白做了。

3.1 实用go 自带的竞争监测命令-race

go run -race goDemo.go//  -race go自带的竞争监测命令,可以查看哪一行哪些方法有资源竞争。
==================
WARNING: DATA RACE
Read at 0x0000005fa2d0 by goroutine 7:
  main.incCount()
      D:/gopath/src/awesomeProject/goroutine/godemo.go:23 +0x76

Previous write at 0x0000005fa2d0 by goroutine 6:
  main.incCount()
      D:/gopath/src/awesomeProject/goroutine/godemo.go:26 +0x97

Goroutine 7 (running) created at:
  main.main()
      D:/gopath/src/awesomeProject/goroutine/godemo.go:16 +0x90

Goroutine 6 (finished) created at:
  main.main()
      D:/gopath/src/awesomeProject/goroutine/godemo.go:15 +0x6f
==================
最终结果: 4
Found 1 data race(s)
exit status 66

如何解决资源竞争和线程同步,这就有两类,一类是传统的方式——加锁,另一类是go语言有的通过chanel,采用csp模型,即通过通信去共享内存,而不是通过共享内存而通信。

4、资源同步传统方式——加锁

我们要实现同一时间只能有一个goroutine对共享资源进行读写操作,go语言提供了传统的解决方案,atomic和sync 包。 另一种方式是使用channel,下一篇单独讲。

4.1原子函数atomic

atomic 包提供了一些函数来保证对资源的读写安全。比如LoadInt32 和 StoreInt32两个函数,一个读取int32类型的值,一个写入int32类型的值。如下:

package main
import (
    "fmt"
    "runtime"
    "sync"
    "sync/atomic"
)
var (
    count int32
    wg sync.WaitGroup
)
func main(){
    wg.Add(2)
    go incCount(1)
    go incCount(2)
    wg.Wait()
    fmt.Println("最终结果:",count)
}
func incCount(id int) {
    defer  wg.Done()
    for i:=0;i<2;i++{
        value:=atomic.LoadInt32(&count)
        runtime.Gosched()
        value++
        atomic.StoreInt32(&count,value)
    }
}

这时候执行结果是4,读写安全了。atomic虽然可以解决资源竞争问题,但是比较都是比较简单的,支持的数据类型也有限。所以,sync 提供了互斥锁来解决。

4.2 互斥锁 mutex

sync包里提供了一种互斥型的锁,可以让我们自己灵活的控制哪些代码,同时只能有一个goroutine访问,被sync互斥锁控制的这段代码范围,被称之为临界区,临界区的代码,同一时间,只能有一个goroutine访问。代码如下:

package main
import (
    "fmt"
    "runtime"
    "sync"
)
var (
    count int32
    wg    sync.WaitGroup  
    mutex sync.Mutex  //声明 mutex  互斥锁变量
)

func main() {
    wg.Add(2)  //2个等待的goroutine
    go incCount()
    go incCount()
    wg.Wait()
    fmt.Println(count)
}

func incCount() {
    defer wg.Done() 
    for i := 0; i < 2; i++ {
        mutex.Lock()  //临界区开始位置
        value := count
        runtime.Gosched()
        value++
        count = value
        mutex.Unlock()//临界区结束位置
    }
}

我们还是使用 sync.WaitGroup 来进行等待两个goroutine都执行完再推出main函数。 重点看我们还声明了一个

mutext sync.Mutex 这个互斥锁,通过mutex.Lock()加锁, mutex.Unlock()解锁。它将中间的代码块形成一个临界区,所以,这段代码块同时只能有一个goroutine进行操作,所以,goroutine1 将count赋值给value,让出线程,此时goroutine2也无法进入临界区的代码,等待goroutine1 执行完临界区的代码,goroutine2再进行执行。这样就保证了资源的读写安全。

当然goroutine 同步还有更好,更简单的方式,使用channel。即所谓的:通过通信来共享内存,而不是通过共享内存来通信。


有疑问加站长微信联系(非本文作者)

本文来自:Segmentfault

感谢作者:杨旭

查看原文:15 Go语言并发1——Goroutine

入群交流(和以上内容无关):加入Go大咖交流群,或添加微信:liuxiaoyan-s 备注:入群;或加QQ群:692541889

555 次点击  
加入收藏 微博
暂无回复
添加一条新回复 (您需要 登录 后才能回复 没有账号 ?)
  • 请尽量让自己的回复能够对别人有帮助
  • 支持 Markdown 格式, **粗体**、~~删除线~~、`单行代码`
  • 支持 @ 本站用户;支持表情(输入 : 提示),见 Emoji cheat sheet
  • 图片支持拖拽、截图粘贴等方式上传