Go 語言的并發特性是其一大亮點，今天我們來帶著大家一起看看如何使用 Go 更好地開發并發程序？

我們都知道計算機的核心為 CPU，它是計算機的運算和控制核心，承載了所有的計算任務。最近半個世紀以來，由于半導體技術的高速發展，集成電路中晶體管的數量也在大幅度增長，這大大提升了 CPU 的性能。著名的摩爾定律——“集成電路芯片上所集成的電路的數目，每隔18個月就翻一番”，描述的就是該種情形。

過于密集的晶體管雖然提高了 CPU 的處理性能，但也帶來了單個芯片發熱過高和成本過高的問題，與此同時，受限于材料技術的發展，芯片中晶體管數量密度的增加速度已經放緩。也就是說，程序已經無法簡單地依賴硬件的提升而提升運行速度。這時，多核 CPU 的出現讓我們看到了提升程序運行速度的另一個方向：將程序的執行過程分為多個可并行或并發執行的步驟，讓它們分別在不同的 CPU 核心中同時執行，最后將各部分的執行結果進行合并得到最終結果。

并行和并發是計算機程序執行的常見概念，它們的區別在于：

• 并行 ，指兩個或多個程序在 同一個時刻 執行；
• 并發 ，指兩個或多個程序在 同一個時間段內 執行。

并行執行的程序，無論從宏觀還是微觀的角度觀察，同一時刻內都有多個程序在 CPU 中執行。這就要求 CPU 提供多核計算能力，多個程序被分配到 CPU 的不同的核中被同時執行。

而 并發執行的程序 ，僅需要在宏觀角度觀察到多個程序在 CPU 中同時執行。即使是單核 CPU 也可以通過分時復用的方式，給多個程序分配一定的執行時間片，讓它們在 CPU 上被快速輪換執行，從而在宏觀上模擬出多個程序同時執行的效果。但從微觀角度來看，這些程序其實是在 CPU 中被串行執行。

Go 的 MPG 線程模型

Go 被認為是一門高性能并發語言，得益于它在原生態支持 協程并發 。這里我們首先了解進程、線程和協程這三者的聯系和區別。

在多道程序系統中， 進程 是一個具有獨立功能的程序關于某個數據集合的一次動態執行過程，是操作系統進行資源分配和調度的基本單位，是應用程序運行的載體。

而 線程 則是程序執行過程中一個單一的順序控制流程，是 CPU 調度和分派的基本單位。 線程是比進程更小的獨立運行基本單位 ，一個進程中可以擁有一個或者以上的線程，這些線程共享進程所持有的資源，在 CPU 中被調度執行，共同完成進程的執行任務。

在 Linux 系統中，根據資源訪問權限的不同，操作系統會把內存空間分為內核空間和用戶空間：內核空間的代碼能夠直接訪問計算機的底層資源，如 CPU 資源、I/O 資源等，為用戶空間的代碼提供計算機底層資源訪問能力；用戶空間為上層應用程序的活動空間，無法直接訪問計算機底層資源，需要借助“系統調用”“庫函數”等方式調用內核空間提供的資源。

同樣，線程也可以分為內核線程和用戶線程。 內核線程 由操作系統管理和調度，是內核調度實體，它能夠直接操作計算機底層資源，可以充分利用 CPU 多核并行計算的優勢，但是線程切換時需要 CPU 切換到內核態，存在一定的開銷，可創建的線程數量也受到操作系統的限制。 用戶線程 由用戶空間的代碼創建、管理和調度，無法被操作系統感知。用戶線程的數據保存在用戶空間中，切換時無須切換到內核態，切換開銷小且高效，可創建的線程數量理論上只與內存大小相關。

協程是一種用戶線程，屬于輕量級線程。協程的調度，完全由用戶空間的代碼控制；協程擁有自己的寄存器上下文和棧，并存儲在用戶空間；協程切換時無須切換到內核態訪問內核空間，切換速度極快。但這也給開發人員帶來較大的技術挑戰：開發人員需要在用戶空間處理協程切換時上下文信息的保存和恢復、棧空間大小的管理等問題。

Go 是為數不多在語言層次實現協程并發的語言，它采用了一種特殊的兩級線程模型：MPG 線程模型（如下圖）。

MPG 線程模型

• M，即 machine，相當于內核線程在 Go 進程中的映射，它與內核線程一一對應，代表真正執行計算的資源。在 M 的生命周期內，它只會與一個內核線程關聯。
• P，即 processor，代表 Go 代碼片段執行所需的上下文環境。M 和 P 的結合能夠為 G 提供有效的運行環境，它們之間的結合關系不是固定的。P 的最大數量決定了 Go 程序的并發規模，由 runtime.GOMAXPROCS 變量決定。
• G，即 goroutine，是一種輕量級的用戶線程，是對代碼片段的封裝，擁有執行時的棧、狀態和代碼片段等信息。

在實際執行過程中，M 和 P 共同為 G 提供有效的運行環境（如下圖），多個可執行的 G 順序掛載在 P 的可執行 G 隊列下面，等待調度和執行。當 G 中存在一些 I/O 系統調用阻塞了 M時，P 將會斷開與 M 的聯系，從調度器空閑 M 隊列中獲取一個 M 或者創建一個新的 M 組合執行， 保證 P 中可執行 G 隊列中其他 G 得到執行，且由于程序中并行執行的 M 數量沒變，保證了程序 CPU 的高利用率。

M 和 P 結合示意圖

當 G 中系統調用執行結束返回時，M 會為 G 捕獲一個 P 上下文，如果捕獲失敗，就把 G 放到全局可執行 G 隊列等待其他 P 的獲取。新創建的 G 會被放置到全局可執行 G 隊列中，等待調度器分發到合適的 P 的可執行 G 隊列中。M 和 P 結合后，會從 P 的可執行 G 隊列中無鎖獲取 G 執行。當 P 的可執行 G 隊列為空時，P 才會加鎖從全局可執行 G 隊列獲取 G。當全局可執行 G 隊列中也沒有 G 時，P 會嘗試從其他 P 的可執行 G 隊列中“剽竊”G 執行。

goroutine 和 channel

并發程序中的多個線程同時在 CPU 執行，由于資源之間的相互依賴和競態條件，需要一定的并發模型協作不同線程之間的任務執行。Go 中倡導使用 CSP 并發模型 來控制線程之間的任務協作，CSP 倡導使用通信的方式來進行線程之間的內存共享。

Go是通過 goroutine 和 channel 來實現 CSP 并發模型的：

• goroutine，即協程 ，Go 中的并發實體，是一種輕量級的用戶線程，是消息的發送和接收方；
• channel，即通道 ， goroutine 使用通道發送和接收消息。

CSP并發模型類似常用的同步隊列，它更加關注消息的傳輸方式，解耦了發送消息的 goroutine 和接收消息的 goroutine，channel 可以獨立創建和存取，在不同的 goroutine 中傳遞使用。

使用關鍵字 go 即可使用 goroutine 并發執行代碼片段，形式如下：

go expression 

而 channel 作為一種引用類型，聲明時需要指定傳輸數據類型，聲明形式如下：

var name chan T // 雙向 channel 
var name chan <- T // 只能發送消息的 channel 
var name T <- chan // 只能接收消息的 channel 

其中，T 即為 channel 可傳輸的數據類型。channel 作為隊列，遵循消息先進先出的順序，同時保證同一時刻只能有一個 goroutine 發送或者接收消息。

使用 channel 發送和接收消息形式如下：

channel <- val // 發送消息 
val := <- channel // 接收消息 
val, ok := <- channel // 非阻塞接收消息 

goroutine 向已經填滿信息的 channel 發送信息或從沒有數據的 channel 接收信息會阻塞自身。goroutine 接收消息時可以使用非阻塞的方式，無論 channel 中是否存在消息都會立即返回，通過 ok 布爾值判斷是否接收成功。

創建一個 channel 需要使用 make 函數對 channel 進行初始化，形式如下所示：

ch := make(chan T, sizeOfChan) 

初始化 channel 時可以指定 channel 的長度，表示 channel 最多可以緩存多少條信息。下面我們通過一個簡單例子演示 goroutine 和 channel 的使用：

package main 
import ( 
"fmt" 
"time" 
) 
//生產者 
func Producer(begin, end int, queue chan<- int) { 
for i:= begin ; i < end ; i++ { 
fmt.Println("produce:", i) 
queue <- i 
} 
} 
//消費者 
func Consumer(queue <-chan int) { 
for val := range queue  { //當前的消費者循環消費 
fmt.Println("consume:", val) 
} 
} 
func main() { 
queue := make(chan int) 
defer close(queue) 
for i := 0; i < 3; i++ { 
go Producer(i * 5, (i+1) * 5, queue) //多個生產者 
} 
go Consumer(queue) //單個消費者 
time.Sleep(time.Second) // 避免主 goroutine 結束程序 
} 

這是一個簡單的多生產者和單消費的代碼例子，生產 goroutine 將生產的數字通過 channel 發送給消費 goroutine。上述例子中，消費 goroutine 使用 for:range 從 channel 中循環接收消息，只有當相應的 channel 被內置函數 close 后，該循環才會結束。channel 在關閉之后不可以再用于發送消息，但是可以繼續用于接收消息，從關閉的 channel 中接收消息或者正在被阻塞的 goroutine 將會接收零值并返回。還有一個需要注意的點是，main 函數由主 goroutine 啟動，當主 goroutine 即 main 函數執行結束，整個 Go 程序也會直接執行結束，無論是否存在其他未執行完的 goroutine。

1. select 多路復用

當需要從多個 channel 中接收消息時，可以使用 Go 提供的 select 關鍵字，它提供類似多路復用的能力，使得 goroutine 可以同時等待多個 channel 的讀寫操作。select 的形式與 switch 類似，但是要求 case 語句后面必須為 channel 的收發操作，一個簡單的例子如下：

package main 
import ( 
"fmt" 
"time" 
) 
func send(ch chan int, begin int )  { 
// 循環向 channel 發送消息 
for i :=begin ; i< begin + 10 ;i++{ 
ch <- i 
} 
} 
func receive(ch <-chan int)  { 
val := <- ch 
fmt.Println("receive:", val) 
} 
func main()  { 
ch1 := make(chan int) 
ch2 := make(chan int) 
go send(ch1, 0) 
go receive(ch2) 
// 主 goroutine 休眠 1s，保證調度成功 
time.Sleep(time.Second) 
for { 
select { 
case val := <- ch1: // 從 ch1 讀取數據 
fmt.Printf("get value %d from ch1\n", val) 
case ch2 <- 2 : // 使用 ch2 發送消息 
fmt.Println("send value by ch2") 
case <-time.After(2 * time.Second): // 超時設置 
fmt.Println("Time out") 
return 
} 
} 
} 

在上述例子中，我們使用 select 關鍵字同時從 ch1 中接收數據和使用 ch2 發送數據，輸出的一種可能結果為：

get value 0 from ch1 
get value 1 from ch1 
send value by ch2 
receive: 2 
get value 2 from ch1 
get value 3 from ch1 
get value 4 from ch1 
get value 5 from ch1 
get value 6 from ch1 
get value 7 from ch1 
get value 8 from ch1 
get value 9 from ch1 
Time out 

由于 ch2 中的消息僅被接收一次，所以僅出現一次“send value by ch2”，后續消息的發送將被阻塞。select 語句分別從 3 個 case 中選取返回的 case 進行處理，當有多個 case 語句同時返回時，select 將會隨機選擇一個 case 進行處理。如果 select 語句的最后包含 default 語句，該 select 語句將會變為非阻塞型，即當其他所有的 case 語句都被阻塞無法返回時，select 語句將直接執行 default 語句返回結果。在上述例子中，我們在最后的 case 語句使用了 <-time.After(2 * time.Second) 的方式指定了定時返回的 channel，這是一種有效從阻塞的 channel 中超時返回的小技巧。

2. Context 上下文

當需要在多個 goroutine 中傳遞上下文信息時，可以使用 Context 實現。Context 除了用來傳遞上下文信息，還可以用于傳遞終結執行子任務的相關信號，中止多個執行子任務的 goroutine。Context 中提供以下接口：

type Context interface { 
Deadline() (deadline time.Time, ok bool) 
Done() <-chan struct{} 
Err() error 
Value(key interface{}) interface{} 
} 

• Deadline 方法，返回 Context 被取消的時間，也就是完成工作的截止日期；
• Done，返回一個 channel，這個channel 會在當前工作完成或者上下文被取消之后關閉，多次調用 Done 方法會返回同一個 channel；
• Err 方法，返回 Context 結束的原因，它只會在 Done 返回的 channel 被關閉時才會返回非空的值，如果 Context 被取消，會返回 Canceled 錯誤；如果 Context 超時，會返回 DeadlineExceeded 錯誤。
• Value 方法，可用于從 Context 中獲取傳遞的鍵值信息。

在 Web 請求的處理過程中，一個請求可能啟動多個 goroutine 協同工作，這些 goroutine 之間可能需要共享請求的信息，且當請求被取消或者執行超時時，該請求對應的所有 goroutine 都需要快速結束，釋放資源。Context 就是為了解決上述場景而開發的，我們通過下面一個例子來演示：

package main 
import ( 
"context" 
"fmt" 
"time" 
) 
const DB_ADDRESS  = "db_address" 
const CALCULATE_VALUE  = "calculate_value" 
func readDB(ctx context.Context, cost time.Duration)  { 
fmt.Println("db address is", ctx.Value(DB_ADDRESS)) 
select { 
case <- time.After(cost): //  模擬數據庫讀取 
fmt.Println("read data from db") 
case <-ctx.Done(): 
fmt.Println(ctx.Err()) // 任務取消的原因 
// 一些清理工作 
} 
} 
func calculate(ctx context.Context, cost time.Duration)  { 
fmt.Println("calculate value is", ctx.Value(CALCULATE_VALUE)) 
select { 
case <- time.After(cost): //  模擬數據計算 
fmt.Println("calculate finish") 
case <-ctx.Done(): 
fmt.Println(ctx.Err()) // 任務取消的原因 
// 一些清理工作 
} 
} 
func main()  { 
ctx := context.Background(); // 創建一個空的上下文 
// 添加上下文信息 
ctx = context.WithValue(ctx, DB_ADDRESS, "localhost:10086") 
ctx = context.WithValue(ctx, CALCULATE_VALUE, 1234) 
// 設定子 Context 2s 后執行超時返回 
ctx, cancel := context.WithTimeout(ctx, time.Second * 2) 
defer cancel() 
// 設定執行時間為 4 s 
go readDB(ctx, time.Second * 4) 
go calculate(ctx, time.Second * 4) 
 
// 充分執行 
time.Sleep(time.Second * 5) 
} 

在上述例子中，我們模擬了一個請求中同時進行數據庫訪問和邏輯計算的操作，在請求執行超時時，及時關閉尚未執行結束 goroutine。我們首先通過 context.WithValue 方法為 context 添加上下文信息，Context 在多個 goroutine 中是并發安全的，可以安全地在多個 goroutine 中對 Context 中的上下文數據進行讀取。接著使用 context.WithTimeout 方法設定了 Context 的超時時間為 2s，并傳遞給 readDB 和 calculate 兩個 goroutine 執行子任務。在 readDB 和 calculate 方法中，使用 select 語句對 Context 的 Done 通道進行監控。由于我們設定了子 Context 將在 2s 之后超時，所以它將在 2s 之后關閉 Done 通道；然而預設的子任務執行時間為 4s，對應的 case 語句尚未返回，執行被取消，進入到清理工作的 case 語句中，結束掉當前的 goroutine 所執行的任務。預期的輸出結果如下：

calculate value is 1234 
db address is localhost:10086 
context deadline exceeded 
context deadline exceeded 

使用 Context，能夠有效地在一組 goroutine 中傳遞共享值、取消信號、deadline 等信息，及時關閉不需要的 goroutine。

小結

本文我們主要介紹了 Go 語言并發特性，主要包含：

• Go 的 MPG 線程模型；
• goroutine 和 channel；
• select 多路復用；
• Context 上下文。

除了支持 CSP 的并發模型，Go 同樣支持傳統的線程與鎖并發模型，提供了互斥鎖、讀寫鎖、并發等待組、同步等待條件等一系列同步工具，這些同步工具的結構體位于 sync 包中，與其他語言的同步工具使用方式相差無幾。Go 在語言層次支持協程并發，在并發性能上表現卓越，能夠充分挖掘多核 CPU 的運算性能。希望本文的學習，能夠有效提升你對 Go 并發設計和編程的認知。