《Go in action》读后记录:Go的并发与并行

本文的主要内容是:

  • 了解goroutine,使用它来运行程序
  • 了解Go是如何检测并修正竞争状态的(解决资源互斥访问的方式)
  • 了解并使用通道chan来同步goroutine

一、使用goroutine来运行程序

1.Go的并发与并行

Go的并发能力,是指让某个函数独立于其他函数运行的能力。当为一个函数创建goroutine时,该函数将作为一个独立的工作单元,被 调度器 调度到可用的逻辑处理器上执行。Go的运行时调度器是个复杂的软件,它做的工作大致是:

  • 管理被创建的所有goroutine,为其分配执行时间
  • 将操作系统线程与语言运行时的逻辑处理器绑定

参考The Go scheduler ,这里较浅显地说一下Go的运行时调度器。操作系统会在物理处理器上调度操作系统线程来运行,而Go语言的运行时会在逻辑处理器上调度goroutine来运行,每个逻辑处理器都分别绑定到单个操作系统线程上。这里涉及到三个角色:

  • M:操作系统线程,这是真正的内核OS线程
  • P:逻辑处理器,代表着调度的上下文,它使goroutine在一个M上跑
  • G:goroutine,拥有自己的栈,指令指针等信息,被P调度

每个P会维护一个全局运行队列(称为runqueue),处于ready就绪状态的goroutine(灰色G)被放在这个队列中等待被调度。在编写程序时,每当go func启动一个goroutine时,runqueue便在尾部加入一个goroutine。在下一个调度点上,P就从runqueue中取出一个goroutine出来执行(蓝色G)。

当某个操作系统线程M阻塞的时候(比如goroutine执行了阻塞的系统调用),P可以绑定到另外一个操作系统线程M上,让运行队列中的其他goroutine继续执行:

上图中G0执行了阻塞操作,M0被阻塞,P将在新的系统线程M1上继续调度G执行。M1有可能是被新创建的,或者是从线程缓存中取出。Go调度器保证有足够的线程来运行所有的P,语言运行时默认限制每个程序最多创建10000个线程,这个现在可以通过调用runtime/debug包的SetMaxThreads方法来更改。

Go可以在在一个逻辑处理器P上实现并发,如果需要并行,必须使用多于1个的逻辑处理器。Go调度器会把goroutine平等分配到每个逻辑处理器上,此时goroutine将在不同的线程上运行,不过前提是要求机器拥有多个物理处理器。

2.创建goroutine

使用关键字go来创建一个goroutine,并让所有的goroutine都得到执行:

//example1.go
package main

import (
   "runtime"
   "sync"
   "fmt"
)

var (
   wg sync.WaitGroup
)

func main() {
   //分配一个逻辑处理器P给调度器使用
   runtime.GOMAXPROCS(1)
   //在这里,wg用于等待程序完成,计数器加2,表示要等待两个goroutine
   wg.Add(2)
   //声明1个匿名函数,并创建一个goroutine
   fmt.Printf("Begin Coroutines\n")
   go func() {
      //在函数退出时,wg计数器减1
      defer wg.Done()
      //打印3次小写字母表
      for count := 0; count < 3; count++ {
         for char := 'a'; char < 'a'+26; char++ {
            fmt.Printf("%c ", char)
         }
      }
   }()
   //声明1个匿名函数,并创建一个goroutine
   go func() {
      defer wg.Done()
      //打印大写字母表3次
      for count := 0; count < 3; count++ {
         for char := 'A'; char < 'A'+26; char++ {
            fmt.Printf("%c ", char)
         }
      }
   }()

   fmt.Printf("Waiting To Finish\n")
   //等待2个goroutine执行完毕
   wg.Wait()

}

这个程序使用runtime.GOMAXPROCS(1)来分配一个逻辑处理器给调度器使用,两个goroutine将被该逻辑处理器调度并发执行。程序输出:

Begin Coroutines
Waiting To Finish
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z 

从输出来看,是先执行完一个goroutine,再接着执行第二个goroutine的,大写字母全部打印完后,再打印全部的小写字母。那么,有没有办法让两个goroutine并行执行呢?为程序指定两个逻辑处理器即可:

//修改为2个逻辑处理器
runtime.GOMAXPROCS(2)

此时执行程序,输出为:

Begin Coroutines
Waiting To Finish
A B C D E a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z a b c F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X d e f g h i j k l m n o p q r s Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z t u v w x y z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 

那如果只有1个逻辑处理器,如何让两个goroutine交替被调度?实际上,如果goroutine需要很长的时间才能运行完,调度器的内部算法会将当前运行的goroutine让出,防止某个goroutine长时间占用逻辑处理器。由于示例程序中两个goroutine的执行时间都很短,在为引起调度器调度之前已经执行完。不过,程序也可以使用runtime.Gosched()来将当前在逻辑处理器上运行的goruntine让出,让另一个goruntine得到执行:

//example2.go
package main

import (
   "runtime"
   "sync"
   "fmt"
)

var (
   wg sync.WaitGroup
)

func main() {
   //分配一个逻辑处理器P给调度器使用
   runtime.GOMAXPROCS(1)
   //在这里,wg用于等待程序完成,计数器加2,表示要等待两个goroutine
   wg.Add(2)
   //声明1个匿名函数,并创建一个goroutine
   fmt.Printf("Begin Coroutines\n")
   go func() {
      //在函数退出时,wg计数器减1
      defer wg.Done()
      //打印3次小写字母表
      for count := 0; count < 3; count++ {
         for char := 'a'; char < 'a'+26; char++ {
            if char=='k'{
               runtime.Gosched()
            }
            fmt.Printf("%c ", char)
         }
      }
   }()
   //声明1个匿名函数,并创建一个goroutine
   go func() {
      defer wg.Done()
      //打印大写字母表3次
      for count := 0; count < 3; count++ {
         for char := 'A'; char < 'A'+26; char++ {
            if char == 'K'{
               runtime.Gosched()
            }
            fmt.Printf("%c ", char)
         }
      }
   }()

   fmt.Printf("Waiting To Finish\n")
   //等待2个goroutine执行完毕
   wg.Wait()

}

两个goroutine在循环的字符为k/K的时候会让出逻辑处理器,程序的输出结果为:

Begin Coroutines
Waiting To Finish
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J a b c d e f g h i j K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J k l m n o p q r s t u v w x y z a b c d e f g h i j K L M N O P Q R S T U V W X Y Z k l m n o p q r s t u v w x y z a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z 

这里大小写字母果然是交替着输出了。不过从输出可以看到,第一次输出大写字母时遇到K没有让出逻辑处理器,这是什么原因还不是很清楚,调度器的调度机制?

二、处理竞争状态

并发程序避免不了的一个问题是对资源的同步访问。如果多个goroutine在没有互相同步的情况下去访问同一个资源,并进行读写操作,这时goroutine就处于竞争状态下:

//example3.go
package main

import (
   "sync"
   "runtime"
   "fmt"
)

var (
   //counter为访问的资源
   counter int64
   wg      sync.WaitGroup
)

func addCount() {
   defer wg.Done()
   for count := 0; count < 2; count++ {
      value := counter
      //当前goroutine从线程退出
      runtime.Gosched()
      value++
      counter=value
   }
}

func main() {
   wg.Add(2)
   go addCount()
   go addCount()
   wg.Wait()
   fmt.Printf("counter: %d\n",counter)
}
//output:
counter: 4 或者counter: 2

这段程序中,goroutinecounter的读写操作没有进行同步,goroutine 1对counter的写结果可能被goroutine 2所覆盖。Go可通过如下方式来解决这个问题:

  • 使用原子函数操作
  • 使用互斥锁锁住临界区
  • 使用通道chan

1. 检测竞争状态

有时候竞争状态并不能一眼就看出来。Go 提供了一个非常有用的工具,用于检测竞争状态。使用方式是:

go build -race example4.go//用竞争检测器标志来编译程序 ./example4 //运行程序

工具检测出了程序存在一处竞争状态,并指出发生竞争状态的几行代码是:

22        counter=value
18        value := counter
28        go addCount()
29        go addCount()

2. 使用原子函数

对整形变量或指针的同步访问,可以使用原子函数来进行。这里使用原子函数来修复example4.go中的竞争状态问题:

//example5.go
package main

import (
    "sync"
    "runtime"
    "fmt"
    "sync/atomic"
)

var (
    //counter为访问的资源
    counter int64
    wg      sync.WaitGroup
)

func addCount() {
    defer wg.Done()
    for count := 0; count < 2; count++ {
        //使用原子操作来进行
        atomic.AddInt64(&counter,1)
        //当前goroutine从线程退出
        runtime.Gosched()
    }
}

func main() {
    wg.Add(2)
    go addCount()
    go addCount()
    wg.Wait()
    fmt.Printf("counter: %d\n",counter)
}
//output:
counter: 4

这里使用atomic.AddInt64函数来对一个整形数据进行加操作,另外一些有用的原子操作还有:

atomic.StoreInt64() //写
atomic.LoadInt64()  //读

更多的原子操作函数请看atomic包中的声明。

3. 使用互斥锁

对临界区的访问,可以使用互斥锁来进行。对于example4.go的竞争状态,可以使用互斥锁来解决:

//example5.go
package main

import (
   "sync"
   "runtime"
   "fmt"
)

var (
   //counter为访问的资源
   counter int
   wg      sync.WaitGroup
   mutex   sync.Mutex
)

func addCount() {
   defer wg.Done()

   for count := 0; count < 2; count++ {
      //加上锁,进入临界区域
      mutex.Lock()
      {
         value := counter
         //当前goroutine从线程退出
         runtime.Gosched()
         value++
         counter = value
      }
      //离开临界区,释放互斥锁
      mutex.Unlock()
   }
}
func main() {
   wg.Add(2)
   go addCount()
   go addCount()
   wg.Wait()
   fmt.Printf("counter: %d\n", counter)
}

//output:
counter: 4

使用Lock()Unlock()函数调用来定义临界区,在同一个时刻内,只有一个goroutine能够进入临界区,直到调用Unlock()函数后,其他的goroutine才能够进入临界区。

在Go中解决共享资源安全访问,更常用的使用通道chan。

三、利用通道共享数据

Go语言采用CSP消息传递模型。通过在goroutine之间传递数据来传递消息,而不是对数据进行加锁来实现同步访问。这里就需要用到通道chan这种特殊的数据类型。当一个资源需要在goroutine中共享时,chan在goroutine中间架起了一个通道。通道使用make来创建:

unbuffered := make(char int) //创建无缓存通道,用于int类型数据共享
buffered := make(chan string,10)//创建有缓存通道,用于string类型数据共享
buffered<- "hello world" //向通道中写入数据
value:= <-buffered //从通道buffered中接受数据

通道用于放置某一种类型的数据。创建通道时指定通道的大小,将创建有缓存的通道。无缓存通道是一种同步通信机制,它要求发送goroutine和接收goroutine都应该准备好,否则会进入阻塞。

1. 无缓存的通道

无缓存通道是同步的——一个goroutine向channel写入消息的操作会一直阻塞,直到另一个goroutine从通道中读取消息。反过来也是,一个goroutine从channel读取消息的操作会一直阻塞,直到另一个goroutine向通道中写入消息。《Go in action》中关于无缓存通道的解释有一个非常棒的例子:网球比赛。在网球比赛中,两位选手总是处在以下两种状态之一:要么在等待接球,要么在把球打向对方。球的传递可看为通道中数据传递。下面这段代码使用通道模拟了这个过程:

//example6.go
package main

import (
    "sync"
    "fmt"
    "math/rand"
    "time"
)

var wg sync.WaitGroup

func player(name string, court chan int) {
    defer wg.Done()
    for {
        //如果通道关闭,那么选手胜利
        ball, ok := <-court
        if !ok {
            fmt.Printf("Player %s Won\n", name)
            return
        }
        n := rand.Intn(100)

        //随机概率使某个选手Miss
        if n%13 == 0 {
            fmt.Printf("Player %s Missed\n", name)
            //关闭通道
            close(court)
            return
        }
        fmt.Printf("Player %s Hit %d\n", name, ball)
        ball++
        //否则选手进行击球
        court <- ball
    }
}


func main() {
    rand.Seed(time.Now().Unix())
    court := make(chan int)
    //等待两个goroutine都执行完
    wg.Add(2)
    //选手1等待接球
    go player("candy", court)
    //选手2等待接球
    go player("luffic", court)
    //球进入球场(可以开始比赛了)
    court <- 1
    wg.Wait()
}
//output:
Player luffic Hit 1
Player candy Hit 2
Player luffic Hit 3
Player candy Hit 4
Player luffic Hit 5
Player candy Missed
Player luffic Won

2. 有缓存的通道

有缓存的通道是一种在被接收前能存储一个或者多个值的通道,它与无缓存通道的区别在于:无缓存的通道保证进行发送和接收的goroutine会在同一时间进行数据交换,有缓存的通道没有这种保证。有缓存通道让goroutine阻塞的条件为:通道中没有数据可读的时候,接收动作会被阻塞;通道中没有区域容纳更多数据时,发送动作阻塞。向已经关闭的通道中发送数据,会引发panic,但是goroutine依旧能从通道中接收数据,但是不能再向通道里发送数据。所以,发送端应该负责把通道关闭,而不是由接收端来关闭通道。

小结

  • goroutine被逻辑处理器执行,逻辑处理器拥有独立的系统线程与运行队列
  • 多个goroutine在一个逻辑处理器上可以并发执行,当机器有多个物理核心时,可通过多个逻辑处理器来并行执行。
  • 使用关键字 go 来创建goroutine。
  • 在Go中,竞争状态出现在多个goroutine试图同时去访问一个资源时。
  • 可以使用互斥锁或者原子函数,去防止竞争状态的出现。
  • 在go中,更好的解决竞争状态的方法是使用通道来共享数据。
  • 无缓冲通道是同步的,而有缓冲通道不是。

(完)

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