go併發 - goroutine

来源:https://www.cnblogs.com/asdfzxv/archive/2023/11/19/17841618.html
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在今天的學習中,我們簡要瞭解了Python的控制流程,特別是if-else判斷和迴圈操作。作為有著Java開發經驗的程式員,我們跳過了一些基礎概念,著重探討if判斷和迴圈的靈活運用。Python的縮進寫法和與Java的一些語法區別都是需要註意的地方。在編寫程式時,if嵌套和迴圈是基礎結構,而設計模式... ...


概述

Go併發模型獨樹一幟,簡潔、高效。Go語言最小執行單位稱為協程(goroutine),運行時可以創建成千萬上個協程,這在Java、C等線程模型中是不可想象的,併發模型是Go的招牌能力之一。很多文章描述協程是輕量級的線程,並不准確,兩者在底層有本質區別。線程是由操作系統維護,以Linux為例,系統調用創建線程,並由操作系統調度執行,在內核空間管理、與進程共用PCB對象、共用堆空間、獨立調用棧和寄存器,是操作系統最小的調度對象,軟中斷觸發操作系統切換調度。協程是由Go運行時維護,與操作系統線程不是對等關係,多個協程簡共用堆棧空間,在用戶空間維護,由Go運行時自行調度。不依賴系統中斷可以做了非常輕量級。

調度可簡單理解就是如何安排任務,合理高效的調度任務,可顯著提升性能和降低複雜度。以Linux網路Io模型為例,經過多年的發展也就出現五種模型(阻塞 I/O、非阻塞 I/O、多路復用 I/O、信號驅動 I/O、非同步 I/O)。傳輸層不變、TCP/IP協議棧不變、應用層協議不變、操作系統不變、硬體配置不變,不同Io模型性能差別非常大,這就是調度的威力。操作系統對線程的調度是自閉環的,不提供用戶側的控制介面,並行線程數與CPU數一致,線程切換是很重的操作,沒有優化空間,完全寄托於操作系統進程管理能力。協程運行線上程之上,由go運行時維護,創建、同步、銷毀、調度等,全部用戶空間完成,可以做到和函數棧調用一樣輕量級。在Go底層與操作系統交互還是線程模型,從操作系統視角根本看不到協程的存在,並行線程數也沒有改變,複雜度也並沒有降低,只是從用戶側轉移到了Go運行時,總有人要負重前行。go併發模型並沒有提升性能,更大作用是降低併發編程難度,降低開發人員心智。

Go的調度模型有專用名詞:GPM

  • G,表示協程,用戶通過go指令創建,數量不受限制
  • P,類似CPU,內部維護了隊列,G只有加入到P隊列後才能被調度,數量由Go自己維護,可通過GOMAXPROCS指定數量
  • M,OS線程抽象,負責調度任務,和某個P綁定,從P的中不斷取出G,切換堆棧並執行,數量不可指定,由Go Runtime調整

image.png

基本使用

一如既往的簡潔,使用go指令就可以絲滑的創建一個協程,新協程將會由go運行時調度。

func main() {
    go func() {
        fmt.Println("hello world")
    }()
}

註意,上面代碼大概率無法正常工作,不能列印出字元串。匿名函數在新協程中調度執行,main函數在主協程繼續執行,兩者協程會併發執行。這引出了協程重要特性,go主協程有特權,當主協程執行完畢就退出程式,不管是否存在用戶協程。main執行結束退出程式,此時匿名函數還沒來得及列印字元串。Java主線程也有類似的特性,但是開放了daemon屬性可控制,Go則沒有提供控制API。

要順利列印字出字元串,主協程需要等待用戶協程執行結束,本質是協程之間協調問題。

func main() {
    go func() {
        fmt.Println("hello world")
    }()
    time.Sleep(time.Second)		// 主協程睡眠1秒
}

主協程睡眠了1秒,好像很可以工作了,但這是很low的解決方法,極度不靠譜。只要涉及併發編程,就繞不開同步機制,這是併發編程的核心內容,也是併發編程的複雜度所在,獨立章節介紹。

另一個方法可以阻塞主協程,等待通知後繼續執行

func main() {
    wg := new(sync.WaitGroup)
    wg.Add(1)

    go func() {
        fmt.Println("hello world")
    }()

    wg.Wait()	// 進入等待
}

程式會鎖死並panic崩潰退出。主線程進入了等待,卻沒有收到通知,go運行時可以發現死鎖狀態,類似邏輯在Java中不會退出,將永遠阻塞,因為通知底層依賴操作系統中斷機制,Java編譯器無法識別死鎖問題。而go在用戶空間調度,由自己處理調度、同步,大部分死鎖問題在編譯時候就可以發現。這也可以看出兩種調度模型的區別,不過JDK20也支持了虛擬線程,與go協程類似在空間實現調度。

修正後代碼如下

func main() {
    wg := new(sync.WaitGroup)
    wg.Add(1)

    go func() {
        fmt.Println("hello world")
        wg.Done()	// 通知
    }()

    wg.Wait()		// 進入等待
}

使用管道也可以實現通知

func main() {
    notice := make(chan bool)
    go func() {
        fmt.Println("hello")
        notice <- true
    }()

    <-notice		// 讀取時堵塞,直到讀取成功
}

當然也可以使用具名函數啟動協程

func working()  {
    fmt.Println("hello")
}
go working()

方法啟動協程

type Person struct {
    Name string
}

func (p *Person) GetName() {
    fmt.Println(p.Name)
}

p := &Person{Name: "name"}
go p.GetName()				// 啟動協程

在協程執行的函數返回值將被丟棄,無法接收。如果需要返回值,只能使用一些特殊的方法
使用管道接收

func working(resultChannel chan int) {
    ....
    resultChannel<- res;	// 將結果寫入管道
}

使用指針接收,調用函數時候傳入指針,把結果寫入指針指向的記憶體,這種叫傳入傳出參數,在C語言中比較常見

func working(data *int) {
    ....
    *data = res				// 結果寫入指針指向記憶體
}

與其他語言一樣,Go沒有提供主動中斷協程的API,大多數使用chan+select實現優雅退出,需要小心處理,容易出現協程泄漏問題。另外任何協程中出現panic,整個程式會崩潰,可根據情況按需捕獲

func working() {
    defer func() {
        if err := recover(); err != nil {	// 捕獲錯誤,程式不會panic
            fmt.Println("error:", err)
        }
    }()

    ...			// 業務邏輯
}


go working()	// 啟動協程

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