Go語言下的并發編程：Goroutine，Channel 和 Sync
優雅的并發編程范式，完善的并發支持，出色的并發性能是 Go 語言區別于其他語言的一大特色。
在當今這個多核時代，并發編程的意義不言而喻。使用 Go 開發并發程序，操作起來非常簡單，語言級別提供關鍵字 go 用于啟動協程，并且在同一臺機器上可以啟動成千上萬個協程。
下面就來詳細介紹。
goroutine
Go 語言的并發執行體稱為 goroutine，使用關鍵詞 go 來啟動一個 goroutine。
go 關鍵詞后面必須跟一個函數，可以是有名函數，也可以是無名函數，函數的返回值會被忽略。
go 的執行是非阻塞的。
先來看一個例子：
- package main
- import (
- "fmt"
- "time"
- )
- func main() {
- go spinner(100 * time.Millisecond)
- const n = 45
- fibN := fib(n)
- fmt.Printf("\rFibonacci(%d) = %d\n", n, fibN) // Fibonacci(45) = 1134903170
- }
- func spinner(delay time.Duration) {
- for {
- for _, r := range `-\|/` {
- fmt.Printf("\r%c", r)
- time.Sleep(delay)
- }
- }
- }
- func fib(x int) int {
- if x < 2 {
- return x
- }
- return fib(x-1) + fib(x-2)
- }
從執行結果來看，成功計算出了斐波那契數列的值，說明程序在 spinner 處并沒有阻塞，而且 spinner 函數還一直在屏幕上打印提示字符，說明程序正在執行。
當計算完斐波那契數列的值，main 函數打印結果并退出，spinner 也跟著退出。
再來看一個例子，循環執行 10 次，打印兩個數的和：
- package main
- import "fmt"
- func Add(x, y int) {
- z := x + y
- fmt.Println(z)
- }
- func main() {
- for i := 0; i < 10; i++ {
- go Add(i, i)
- }
- }
有問題了，屏幕上什么都沒有，為什么呢?
這就要看 Go 程序的執行機制了。當一個程序啟動時，只有一個 goroutine 來調用 main 函數，稱為主 goroutine。新的 goroutine 通過 go 關鍵詞創建，然后并發執行。當 main 函數返回時，不會等待其他 goroutine 執行完，而是直接暴力結束所有 goroutine。
那有沒有辦法解決呢?當然是有的，請往下看。
channel
一般寫多進程程序時，都會遇到一個問題：進程間通信。常見的通信方式有信號，共享內存等。goroutine 之間的通信機制是通道 channel。
使用 make 創建通道：
- ch := make(chan int) // ch 的類型是 chan int
通道支持三個主要操作：send，receive 和 close。
- ch <- x // 發送
- x = <-ch // 接收
- <-ch // 接收，丟棄結果
- close(ch) // 關閉
無緩沖 channel
make 函數接受兩個參數，第二個參數是可選參數，表示通道容量。不傳或者傳 0 表示創建了一個無緩沖通道。
無緩沖通道上的發送操作將會阻塞，直到另一個 goroutine 在對應的通道上執行接收操作。相反，如果接收先執行，那么接收 goroutine 將會阻塞，直到另一個 goroutine 在對應通道上執行發送。
所以，無緩沖通道是一種同步通道。
下面我們使用無緩沖通道把上面例子中出現的問題解決一下。
- package main
- import "fmt"
- func Add(x, y int, ch chan int) {
- z := x + y
- ch <- z
- }
- func main() {
- ch := make(chan int)
- for i := 0; i < 10; i++ {
- go Add(i, i, ch)
- }
- for i := 0; i < 10; i++ {
- fmt.Println(<-ch)
- }
- }
可以正常輸出結果。
主 goroutine 會阻塞，直到讀取到通道中的值，程序繼續執行，最后退出。
緩沖 channel
創建一個容量是 5 的緩沖通道：
- ch := make(chan int, 5)
緩沖通道的發送操作在通道尾部插入一個元素，接收操作從通道的頭部移除一個元素。如果通道滿了，發送會阻塞，直到另一個 goroutine 執行接收。相反，如果通道是空的，接收會阻塞，直到另一個 goroutine 執行發送。
有沒有感覺，其實緩沖通道和隊列一樣，把操作都解耦了。
單向 channel
類型 chan<- int 是一個只能發送的通道，類型 <-chan int 是一個只能接收的通道。
任何雙向通道都可以用作單向通道，但反過來不行。
還有一點需要注意，close 只能用在發送通道上，如果用在接收通道會報錯。
看一個單向通道的例子：
- package main
- import "fmt"
- func counter(out chan<- int) {
- for x := 0; x < 10; x++ {
- out <- x
- }
- close(out)
- }
- func squarer(out chan<- int, in <-chan int) {
- for v := range in {
- out <- v * v
- }
- close(out)
- }
- func printer(in <-chan int) {
- for v := range in {
- fmt.Println(v)
- }
- }
- func main() {
- n := make(chan int)
- s := make(chan int)
- go counter(n)
- go squarer(s, n)
- printer(s)
- }
sync
sync 包提供了兩種鎖類型：sync.Mutex 和 sync.RWMutex，前者是互斥鎖，后者是讀寫鎖。
當一個 goroutine 獲取了 Mutex 后，其他 goroutine 不管讀寫，只能等待，直到鎖被釋放。
- package main
- import (
- "fmt"
- "sync"
- "time"
- )
- func main() {
- var mutex sync.Mutex
- wg := sync.WaitGroup{}
- // 主 goroutine 先獲取鎖
- fmt.Println("Locking (G0)")
- mutex.Lock()
- fmt.Println("locked (G0)")
- wg.Add(3)
- for i := 1; i < 4; i++ {
- go func(i int) {
- // 由于主 goroutine 先獲取鎖，程序開始 5 秒會阻塞在這里
- fmt.Printf("Locking (G%d)\n", i)
- mutex.Lock()
- fmt.Printf("locked (G%d)\n", i)
- time.Sleep(time.Second * 2)
- mutex.Unlock()
- fmt.Printf("unlocked (G%d)\n", i)
- wg.Done()
- }(i)
- }
- // 主 goroutine 5 秒后釋放鎖
- time.Sleep(time.Second * 5)
- fmt.Println("ready unlock (G0)")
- mutex.Unlock()
- fmt.Println("unlocked (G0)")
- wg.Wait()
- }
RWMutex 屬于經典的單寫多讀模型，當讀鎖被占用時，會阻止寫，但不阻止讀。而寫鎖會阻止寫和讀。
- package main
- import (
- "fmt"
- "sync"
- "time"
- )
- func main() {
- var rwMutex sync.RWMutex
- wg := sync.WaitGroup{}
- Data := 0
- wg.Add(20)
- for i := 0; i < 10; i++ {
- go func(t int) {
- // 第一次運行后，寫解鎖。
- // 循環到第二次時，讀鎖定后，goroutine 沒有阻塞，同時讀成功。
- fmt.Println("Locking")
- rwMutex.RLock()
- defer rwMutex.RUnlock()
- fmt.Printf("Read data: %v\n", Data)
- wg.Done()
- time.Sleep(2 * time.Second)
- }(i)
- go func(t int) {
- // 寫鎖定下是需要解鎖后才能寫的
- rwMutex.Lock()
- defer rwMutex.Unlock()
- Data += t
- fmt.Printf("Write Data: %v %d \n", Data, t)
- wg.Done()
- time.Sleep(2 * time.Second)
- }(i)
- }
- wg.Wait()
- }
總結
并發編程算是 Go 的特色，也是核心功能之一了，涉及的知識點其實是非常多的，本文也只是起到一個拋磚引玉的作用而已。
本文開始介紹了 goroutine 的簡單用法，然后引出了通道的概念。
通道有三種：
- 無緩沖通道
- 緩沖通道
- 單向通道
最后介紹了 Go 中的鎖機制，分別是 sync 包提供的 sync.Mutex(互斥鎖) 和 sync.RWMutex(讀寫鎖)。
goroutine 博大精深，后面的坑還是要慢慢踩的。
