GO的并发之道-Goroutine调度原理&Channel详解

并发（并行），一直以来都是一个编程语言里的核心主题之一，也是被开发者关注最多的话题；Go语言作为一个出道以来就自带 『高并发』光环的富二代编程语言，它的并发（并行）编程肯定是值得开发者去探究的，而Go语言中的并发（并行）编程是经由goroutine实现的，goroutine是golang最重要的特性之一，具有使用成本低、消耗资源低、能效高等特点，官方宣称原生goroutine并发成千上万不成问题，于是它也成为Gopher们经常使用的特性。

一、goroutine简介

Golang被极度赞扬的是它的异步机制，也就是goroutine。goroutine使用方式非常的简单，只需使用go关键字即可启动一个协程, 并且它是处于异步方式运行，你不需要等它运行完成以后再执行以后的代码。

go func()//通过go关键字启动一个协程来运行函数

除去语法上的简洁，goroutine是一个协程，也就是比线程更节省资源，一个线程中可以有多个协程，而且goroutine被分配到多个CPU上运行，是真正意义上的并发。

go func()//通过go关键字启动一个协程来运行函数

二、goroutine内部原理

在介绍goroutine原理之前，先对一些关键概念进行介绍：

关键概念

并发

一个cpu上能同时执行多项任务，在很短时间内，cpu来回切换任务执行(在某段很短时间内执行程序a，然后又迅速得切换到程序b去执行)，有时间上的重叠（宏观上是同时的，微观仍是顺序执行）,这样看起来多个任务像是同时执行，这就是并发。

并行

当系统有多个CPU时,每个CPU同一时刻都运行任务，互不抢占自己所在的CPU资源，同时进行，称为并行。

简单理解

你吃饭吃到一半，电话来了，你一直到吃完了以后才去接，这就说明你不支持并发也不支持并行。
你吃饭吃到一半，电话来了，你停了下来接了电话，接完后继续吃饭，这说明你支持并发。
你吃饭吃到一半，电话来了，你一边打电话一边吃饭，这说明你支持并行。

并发的关键是你有处理多个任务的能力，不一定要同时。
并行的关键是你有同时处理多个任务的能力。

在计算机中就是：

所以我认为它们最关键的点就是：是否是『同时』。

　　

进程

cpu在切换程序的时候，如果不保存上一个程序的状态（也就是我们常说的context--上下文），直接切换下一个程序，就会丢失上一个程序的一系列状态，于是引入了进程这个概念，用以划分好程序运行时所需要的资源。

因此进程就是一个程序运行时候的所需要的基本资源单位（也可以说是程序运行的一个实体）。

线程

cpu切换多个进程的时候，会花费不少的时间，因为切换进程需要切换到内核态，而每次调度需要内核态都需要读取用户态的数据，进程一旦多起来，cpu调度会消耗一大堆资源，因此引入了线程的概念，线程本身几乎不占有资源，他们共享进程里的资源，内核调度起来不会那么像进程切换那么耗费资源。

线程是进程的一个执行实体，是CPU调度和分派的基本单位，它是比进程更小的能独立运行的基本单位。

NOTE：线程包括三大类，而且goroutine也并非真正地协程。（请查看:《线程那些事儿》）

有时候为了方便理解可以简单把goroutine类比成协程，但心里一定要有个清晰的认知 — goroutine并不等同于协程。

协程

协程拥有自己的寄存器上下文和栈。协程调度切换时，将寄存器上下文和栈保存到其他地方，在切回来的时候，恢复先前保存的寄存器上下文和栈。因此，协程能保留上一次调用时的状态（即所有局部状态的一个特定组合），每次过程重入时，就相当于进入上一次调用的状态，换种说法：进入上一次离开时所处逻辑流的位置。线程和进程的操作是由程序触发系统接口，最后的执行者是系统；协程的操作执行者则是用户自身程序，goroutine也是协程。

 

G-P-M调度模型简介

groutine能拥有强大的并发实现是通过GPM调度模型实现，下面就来解释下goroutine的调度模型。

Go的调度器内部的三个重要的结构：M，P，G
M:M代表内核级线程，一个M就是一个线程，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
G:代表一个goroutine，它有自己的栈，instruction pointer和其他信息（正在等待的channel等等），用于调度。
P:P全称是Processor，处理器，它的主要用途就是用来执行goroutine的，所以它也维护了一个goroutine队列，里面存储了所有需要它来执行的goroutine

NOTE：G-P-M模型详解，请查看该篇博文。

 

调度实现

从上图中看，有2个物理线程M，每一个M都拥有一个处理器P，每一个也都有一个正在运行的goroutine。
P的数量可以通过GOMAXPROCS()来设置，它其实也就代表了真正的并发度，即有多少个goroutine可以同时运行。
图中灰色的那些goroutine并没有运行，而是出于ready的就绪态，正在等待被调度。P维护着这个队列（称之为runqueue），
Go语言里，启动一个goroutine很容易：go function 就行，所以每有一个go语句被执行，runqueue队列就在其末尾加入一个
goroutine，在下一个调度点，就从runqueue中取出（如何决定取哪个goroutine？）一个goroutine执行。

当一个OS线程M0陷入阻塞时（如下图)，P转而在运行M1，图中的M1可能是正被创建，或者从线程缓存中取出。

当MO返回时，它必须尝试取得一个P来运行goroutine，一般情况下，它会从其他的OS线程那里拿一个P过来，
如果没有拿到的话，它就把goroutine放在一个global runqueue里，然后自己睡眠（放入线程缓存里）。所有的P也会周期性的检查global runqueue并运行其中的goroutine，否则global runqueue上的goroutine永远无法执行。

 

另一种情况是P所分配的任务G很快就执行完了（分配不均），这就导致了这个处理器P很忙，但是其他的P还有任务，此时如果global runqueue没有任务G了，那么P不得不从其他的P里拿一些G来执行。一般来说，如果P从其他的P那里要拿任务的话，一般就拿run queue的一半，这就确保了每个OS线程都能充分的使用，如下图：

参考地址：http://morsmachine.dk/go-scheduler

 

三、使用goroutine

基本使用

设置goroutine运行的CPU数量，最新版本的go已经默认已经设置了。

num := runtime.NumCPU()    //获取主机的逻辑CPU个数
runtime.GOMAXPROCS(num)    //设置可同时执行的最大CPU数

使用示例

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func cal(a int , b int )  {
    c := a+b
    fmt.Printf("%d + %d = %d
",a,b,c)
}

func main() {
　　
    for i :=0 ; i<10 ;i++{
        go cal(i,i+1)  //启动10个goroutine 来计算
    }
    time.Sleep(time.Second * 2) // sleep作用是为了等待所有任务完成
} 
//结果
//8 + 9 = 17
//9 + 10 = 19
//4 + 5 = 9
//5 + 6 = 11
//0 + 1 = 1
//1 + 2 = 3
//2 + 3 = 5
//3 + 4 = 7
//7 + 8 = 15
//6 + 7 = 13

goroutine异常捕捉

当启动多个goroutine时，如果其中一个goroutine异常了，并且我们并没有对进行异常处理，那么整个程序都会终止，所以我们在编写程序时候最好每个goroutine所运行的函数都做异常处理，异常处理采用recover

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func addele(a []int ,i int)  {
    defer func() {    //匿名函数捕获错误
        err := recover()
        if err != nil {
            fmt.Println("add ele fail")
        }
    }()
   a[i]=i
   fmt.Println(a)
}

func main() {
    Arry := make([]int,4)
    for i :=0 ; i<10 ;i++{
        go addele(Arry,i)
    }
    time.Sleep(time.Second * 2)
}
//结果
add ele fail
[0 0 0 0]
[0 1 0 0]
[0 1 2 0]
[0 1 2 3]
add ele fail
add ele fail
add ele fail
add ele fail
add ele fail

同步的goroutine

由于goroutine是异步执行的，那很有可能出现主程序退出时还有goroutine没有执行完，此时goroutine也会跟着退出。此时如果想等到所有goroutine任务执行完毕才退出，go提供了sync包和channel来解决同步问题，当然如果你能预测每个goroutine执行的时间，你还可以通过time.Sleep方式等待所有的groutine执行完成以后在退出程序(如上面的列子)。

示例一：使用sync包同步goroutine

sync大致实现方式

WaitGroup 等待一组goroutinue执行完毕. 主程序调用 Add 添加等待的goroutinue数量. 每个goroutinue在执行结束时调用 Done ，此时等待队列数量减1.，主程序通过Wait阻塞，直到等待队列为0.

 

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

func cal(a int , b int ,n *sync.WaitGroup)  {
    c := a+b
    fmt.Printf("%d + %d = %d
",a,b,c)
    defer n.Done() //goroutinue完成后, WaitGroup的计数-1

}

func main() {
    var go_sync sync.WaitGroup //声明一个WaitGroup变量
    for i :=0 ; i<10 ;i++{
        go_sync.Add(1) // WaitGroup的计数加1
        go cal(i,i+1,&go_sync)  
    }
    go_sync.Wait()  //等待所有goroutine执行完毕
}
//结果
9 + 10 = 19
2 + 3 = 5
3 + 4 = 7
4 + 5 = 9
5 + 6 = 11
1 + 2 = 3
6 + 7 = 13
7 + 8 = 15
0 + 1 = 1
8 + 9 = 17

示例二：通过channel实现goroutine之间的同步。

实现方式：通过channel能在多个groutine之间通讯，当一个goroutine完成时候向channel发送退出信号,等所有goroutine退出时候，利用for循环channe去channel中的信号，若取不到数据会阻塞原理，等待所有goroutine执行完毕，使用该方法有个前提是你已经知道了你启动了多少个goroutine。

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func cal(a int , b int ,Exitchan chan bool)  {
    c := a+b
    fmt.Printf("%d + %d = %d
",a,b,c)
    time.Sleep(time.Second*2)
    Exitchan <- true
}

func main() {

    Exitchan := make(chan bool,10)  //声明并分配管道内存
    for i :=0 ; i<10 ;i++{
        go cal(i,i+1,Exitchan)
    }
    for j :=0; j<10; j++{   
         <- Exitchan  //取信号数据，如果取不到则会阻塞
    }
    close(Exitchan) // 关闭管道
}

goroutine之间的通讯

goroutine本质上是协程，可以理解为不受内核调度，而受go调度器管理的线程。goroutine之间可以通过channel进行通信或者说是数据共享，当然你也可以使用全局变量来进行数据共享。

示例：使用channel模拟消费者和生产者模式

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

func Productor(mychan chan int,data int,wait *sync.WaitGroup)  {
    mychan <- data
    fmt.Println("product data：",data)
    wait.Done()
}
func Consumer(mychan chan int,wait *sync.WaitGroup)  {
     a := <- mychan
    fmt.Println("consumer data：",a)
     wait.Done()
}
func main() {

    datachan := make(chan int, 100)   //通讯数据管道
    var wg sync.WaitGroup

    for i := 0; i < 10; i++ {
        go Productor(datachan, i,&wg) //生产数据
        wg.Add(1)
    }
    for j := 0; j < 10; j++ {
        go Consumer(datachan,&wg)  //消费数据
        wg.Add(1)
    }
    wg.Wait()
}
//结果
consumer data： 4
product data： 5
product data： 6
product data： 7
product data： 8
product data： 9
consumer data： 1
consumer data： 5
consumer data： 6
consumer data： 7
consumer data： 8
consumer data： 9
product data： 2
consumer data： 2
product data： 3
consumer data： 3
product data： 4
consumer data： 0
product data： 0
product data： 1

四、channel

不同goroutine之间是如何进行通讯的呢？

• 方法一：全局变量和锁同步
• 方法二：Channel

这里我们主要注重讲解下go中特有的channel，其类似于UNIX中的管道（piple）。

channel概念

channel俗称管道，用于数据传递或数据共享，其本质是一个先进先出的队列，使用goroutine+channel进行数据通讯简单高效，同时也线程安全，多个goroutine可同时修改一个channel，不需要加锁。

channel操作

定义和声明:

var 变量名 chan 类型    //channel是有类型的，一个整数的channel只能存放整数

var test chan int 

var test chan map[string]string

var test chan *stu

channel可分为三种：

只读channel：只能读channel里面数据，不可写入

只写channel：只能写数据，不可读

一般channel：可读可写

var readOnlyChan <-chan int            // 只读chan
var writeOnlyChan chan<- int           // 只写chan
var mychan  chan int                   //读写channel

mychannel = make(chan int,10)

//或者
read_only := make (<-chan int,10)//定义只读的channel
write_only := make (chan<- int,10)//定义只写的channel
read_write := make (chan int,10)//可同时读写

定义完成以后需要make来分配内存空间，不然会deadlock!

//定义一个结构体类型的channel

package main

type student struct{
    name string
}

func main() {
    var stuChan chan student
    stuChan = make(chan student, 10)

    stu := student{name:"syu01"}

    stuChan <- stu  
}

读写数据

ch <- "wd"  //写数据
a := <- ch //读取数据
a, ok := <-ch  //推荐的读取数据方法

注意：

• 管道如果未关闭，在读取超时会则会引发deadlock异常
• 管道如果关闭进行写入数据会pannic
• 当管道中没有数据时候再行读取或读取到默认值，如int类型默认值是0

遍历管道

• 使用for range遍历管道，如果管道未关闭会引发deadlock错误。
• 如果采用for死循环已经关闭的管道，当管道没有数据时候，读取的数据会是管道的默认值，并且循环不会退出。

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)


func main() {
    mychannel := make(chan int,10)
    for i := 0;i < 10;i++{
        mychannel <- i
    }
    close(mychannel)  //关闭管道
    fmt.Println("data lenght: ",len(mychannel))
    for  v := range mychannel {  //遍历管道
        fmt.Println(v)
    }
    fmt.Printf("data lenght:  %d",len(mychannel))
}

带缓冲区channe和不带缓冲区channel

带缓冲区channel：定义声明时候制定了缓冲区大小(长度)，可以保存多个数据。

不带缓冲区channel：只能存一个数据，并且只有当该数据被取出时候才能存下一个数据。

ch := make(chan int) //不带缓冲区
ch := make(chan int ,10) //带缓冲区

不带缓冲区示例：

package main

import "fmt"

func test(c chan int) {
    for i := 0; i < 10; i++ {
        fmt.Println("send ", i)
        c <- i
    }
}
func main() {
    ch := make(chan int)
    go test(ch)
    for j := 0; j < 10; j++ {
        fmt.Println("get ", <-ch)
    }
}


//结果：
send  0
send  1
get  0
get  1
send  2
send  3
get  2
get  3
send  4
send  5
get  4
get  5
send  6
send  7
get  6
get  7
send  8
send  9
get  8
get  9

channel实现作业池

我们创建三个channel，一个channel用于接受任务，一个channel用于保持结果，还有个channel用于决定程序退出的时候。

package main

import (
    "fmt"
)

func Task(taskch, resch chan int, exitch chan bool) {
    defer func() {   //异常处理
        err := recover()
        if err != nil {
            fmt.Println("do task error：", err)
            return
        }
    }()

    for t := range taskch { //  处理任务
        fmt.Println("do task :", t)
        resch <- t //
    }
    exitch <- true //处理完发送退出信号
}

func main() {
    taskch := make(chan int, 20) //任务管道
    resch := make(chan int, 20)  //结果管道
    exitch := make(chan bool, 5) //退出管道
    go func() {
        for i := 0; i < 10; i++ {
            taskch <- i
        }
        close(taskch)
    }()


    for i := 0; i < 5; i++ {  //启动5个goroutine做任务
        go Task(taskch, resch, exitch)
    }

    go func() { //等5个goroutine结束
        for i := 0; i < 5; i++ {
            <-exitch
        }
        close(resch)  //任务处理完成关闭结果管道，不然range报错
        close(exitch)  //关闭退出管道
    }()

    for res := range resch{  //打印结果
        fmt.Println("task res：",res)
    }
}

只读channel和只写channel

一般定义只读和只写的管道意义不大，更多时候我们可以在参数传递时候指明管道可读还是可写，即使当前管道是可读写的。

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

//只能向chan里写数据
func send(c chan<- int) {
    for i := 0; i < 10; i++ {
        c <- i
    }
}
//只能取channel中的数据
func get(c <-chan int) {
    for i := range c {
        fmt.Println(i)
    }
}
func main() {
    c := make(chan int)
    go send(c)
    go get(c)
    time.Sleep(time.Second*1)
}
//结果
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

 

select-case实现非阻塞channel

原理通过select+case加入一组管道，当满足（这里说的满足意思是有数据可读或者可写)select中的某个case时候，那么该case返回，若都不满足case，则走default分支。

package main

import (
    "fmt"
)

func send(c chan int)  {
    for i :=1 ; i<10 ;i++  {
     c <-i
     fmt.Println("send data : ",i)
    }
}

func main() {
    resch := make(chan int,20)
    strch := make(chan string,10)
    go send(resch)
    strch <- "wd"
    select {
    case a := <-resch:
        fmt.Println("get data : ", a)
    case b := <-strch:
        fmt.Println("get data : ", b)
    default:
        fmt.Println("no channel actvie")

    }

}

//结果：get data :  wd

channel中定时器的使用

在对channel进行读写的时，可以对读写进行频率控制，通过time.Ticke实现

示例：

package main

import (
    "time"
    "fmt"
)

func main(){
    requests:= make(chan int ,5)
    for i:=1;i<5;i++{
        requests<-i
    }
    close(requests)
    limiter := time.Tick(time.Second*1)
    for req:=range requests{
        <-limiter
        fmt.Println("requets",req,time.Now()) //执行到这里，需要隔1秒才继续往下执行，time.Tick(timer)上面已定义
    }
}
//结果：
requets 1 2018-07-06 10:17:35.98056403 +0800 CST m=+1.004248763
requets 2 2018-07-06 10:17:36.978123472 +0800 CST m=+2.001798205
requets 3 2018-07-06 10:17:37.980869517 +0800 CST m=+3.004544250
requets 4 2018-07-06 10:17:38.976868836 +0800 CST m=+4.000533569