golang学习笔记（二）—— 深入golang中的协程

[forthealllight]

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小白一枚，最近在研究golang，记录自己学习过程中的一些笔记，以及自己的理解。

• go中协程的实现
• go中协程的sync同步锁
• go中信道channel
• go中的range
• go中的select切换协程
• go中带缓存的channel
• go中协程调度

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介绍go中的协程之前，首先看以下go中的defer函数，defer函数不是普通的函数，defer函数会在普通函数返回之后执行。defer函数中可以释放函数内部变量、关闭数据库连接等等操作，举例来说：

func print(){
  fmt.Println(2);
}
func main() {
  defer print();
  fmt.Println(1);
}

上述的例子中先输出1后输出2，说明defer确实是在普通函数调用结束之后执行的。

go中使用协程的方式来处理并发，协程可以理解成更小的线程，占用空间小且线程上下文切换的成本少。

可以再为具体的描述以下协程的好处，协程比线程更加轻量，使用4K栈的内存就可以创建它们，可以用很小的内存占用就可以处理大量的任务。

在go中，携程是通过go关键字来调用，从关键字可以看出，golang的一个十分重要的特点就是协程，有句话叫“协程在手，说go就go”。

1、go中协程的实现

下面我们来看一个例子：

func printOne(){
  fmt.Println(1);
}
func printTwo(){
  fmt.Println(2);
}
func printThree(){
  fmt.Println(3);
}

func main() {
  go printOne();
  go printTwo();
  go printThree();
}

执行上述的main函数，我们发现并没有像我们想的那样输出有123的输出，原因在于虽然协程是并发的，但是如果在协程调用前退出了调用协程的函数后，协程会随着程序的消亡而消亡。

因此我们可以在main函数中，将主函数挂起，增加等待协程调用的事件。

func main() {
  go printOne();
  go printTwo();
  go printThree();
  time.Sleep(5 * 1e9);
}

这样会有相应的go关键字修饰的协程函数的调用。我们来看分别执行3次的结果。

• 第一次
  1
  3
  2
• 第二次
  3
  2
  1
• 第三次
  3
  1
  2

我们发现因为协程是并发执行的，我们无法确定其调用的顺序，因此 每次的调用主函数的返回结果都是不确定的。

从协程的上述例子中，我们可以看出使用协程的时候必须还要考虑两个问题：

• 如何控制协程的调用顺序，特别是当不同的协程同时访问同一个资源。
• 如何实现不同协程间的通信

问题1，可以通过sync的同步锁来实现，问题2，go中提供了channel来实现不同协程间的通信。

2、go中协程的sync同步锁

go中sync包提供了2个锁，互斥锁sync.Mutex和读写锁sync.RWMutex.我们用互斥锁来解决上述的不同的协程可能同时调度同一个资源的问题，改写上述的例子：

func printOne(m *sync.Mutex){
  m.Lock();
  ... do something use DB or other source
  defer m.Unlock();
}

func printTwo(m *sync.Mutex){
  m.Lock();
  ... the same thing as printOne do something use DB or other source 
  defer m.Unlock();
}

func main() {
  m:= new(sync.Mutex);
  go printOne(m);
  go printTwo(m);
  time.Sleep(5 * 1e9);
}

通过互斥锁，printOne和printTwo不会竞争同一个相同的资源

3、go中信道channel

go中有一种特殊的类型通道channel，可以通过channel来发送类型化的数据，实现在协程之间的通信，通过通道的通信方式也保证了同步性。

channel的声明方式很简单：

var ch1 chan string
ch1 = make(chan string)

我们用ch表示通道，通道的符号包括了流向通道(发送): ch <- int1 和从通道流出(接收) int2 = <- ch。

同时go中也支持声明单向通道：

var ch1 chan int //普通的channel
var ch2 chan <- int //只用于写int数据
var ch3 <- chan int //只用于读int数据

上述定义的都是不带缓存区，或者说长度为1的channel,这种channel的特点就是：

一旦有数据被放入channel，那么该数据必须被取走才能让另一条数据放入，这就是同步的channel，channel的发送者和接受者在同一时间只交流一条数据，然后必须等待另一边完成相应的发送和接受动作。

我们还是用上述的输出123的例子，用同步channel来实现同步的输出。

func printOne(cs chan int){
  fmt.Println(1);
  cs <- 1
}
func printTwo(cs chan int){
  <-cs
  fmt.Println(2);
  defer close(cs);
}

func main() {
  cs := make(chan int);
  go printOne(cs);
  go printTwo(cs);
  time.Sleep(5 * 1e9);
}

上述的例子中会依次输出12，这样我们通过同步channel的方式实现了同步的输出。

我们前面讲到用为了等待go协程执行完成，我们在main函数中用time.sleep来挂起主函数，其实main函数本身也可以看成一个协程，如果使用channel，就不用在main函数中用time.sleep来挂起。

我们改写上述的例子：

func printOne(cs chan int){
  fmt.Println(1);
  cs <- 1
}
func main() {
  cs := make(chan int);
  go printOne(cs);
  <-cs;
  close(cs);
}

上述的例子中，会输出 1 ，我们并没有在主函数中通过time.sleep的方式来挂起，转而用一个等待写入的channel来代替。

注意：通道可以被显式的关闭，当需要告诉接受者不会种子提供新的值的时候，就需要关闭通道。

4、go中的range

上面我们也讲到要及时的关闭channel，但是持续的访问数据源并检查channel是否已经关闭，并不高效。go中提供了range关键字。

range关键字在使用channel的时候，会自动等待channel的动作一直到channel关闭。通俗点将就是可以channel可以自动开关。

同样的来举例：

func input(cs chan int,count int){
  for i:=1;i<=count;i++ {
    cs <- i
  }
}
func output(cs chan int){
  for s:= range cs {
    fmt.Println(s);
  }
}
func main() {
  cs := make(chan int);
  go input(cs,5);
  go output(cs);
  time.Sleep(3*1e9)
}

上述的例子会依次的输出1，2，3，4，5. 通过使用range关键字，当channel被关闭时，接受者的for循环也就自动停止了。

5、go中的select切换协程

从不同的并发执行过程中获取值可以通过关键字select来完成，它和switch控制语句非常相似，也被称为通信开关。

首先要明确select做了什么？？

select中存在着一种轮询机制，select监听进入通道的数据，也可以是通道发送值的时候，监听到相应的行为后就执行case里面的操作。

select的声明：

select {
   case u:= <- ch1:
       ...
   case v:= <- ch2;
       ...

}

同样的来看一下具体使用select的例子：

func channel1(cs chan int,count int){
  for i:=1;i<=count;i++ {
    cs <- i
  }
}
func channel2(cs chan int,count int){
  for i:=1;i<=count;i++ {
    cs <- i
  }
}
func selectTest(cs1 ,cs2 chan int){
  for i:=1;i<10;i++ {
    select {
      case u:=<-cs1:
           fmt.Println(u);
      case v:=<-cs2:
           fmt.Println(v);
    }
  }
}
func main() {
  cs1 := make(chan int);
  cs2 := make(chan int);
  go channel1(cs1,5);
  go channel2(cs2,3);
  go selectTest(cs1,cs2);
  time.Sleep(3*1e9)
}

输出结果为：1,2,1,2,3,3,4,5 总共8个数据。且因为没有做同步控制，因此运行几次后的输出结果是不相同的。

6、go中带缓存的channel

前面讲到的都是不带缓存的channel或者说长度为1的channel，实际上channel也是可以带缓存的，我们可以在声明的时候执行channel的长度。

ch = make(chan string,3)

比如上述的例子中，指定了ch这个channel的长度为3，长度不为1的channel，就可以称之为带缓存的channel.

带缓存的channel可以连续写入，直到长度占满为止。

ch <- 1
ch <- 2 
ch <- 3

7、go中协程调度

讲到并发，就要提到go中的协程调度。go中的runtime包，提供了调度器的功能。runtime包提供了以下几个方法：

• Gosched：让当前线程让出 cpu 以让其它线程运行,它不会挂起当前线程，因此当前线程未来会继续执行
• NumCPU：返回当前系统的 CPU 核数量
• GOMAXPROCS：设置最大的可同时使用的 CPU 核数
• Goexit：退出当前 goroutine(但是defer语句会照常执行)
• NumGoroutine：返回正在执行和排队的任务总数
• GOOS：目标操作系统

对于多核CPU的机器，go可以显示的指定编译器将go的协程调度到多个CPU上运行

import "runtime"
...
cpuNum:=runtime.NumCPU;
runtime.GOMAXPROCS(cpuNum)

来聊聊GO中的调度原理，首先定义以下模型的概念：

M：内核中的线程的数目
G：go中的协程，并发的最小单元，在go中通过go关键字来创建
P：处理器，即协程G的上下文，每个P会维护一个本地的协程队列。

接着来看解释GO中协程调度的经典图：

我们来解释上图：

• P是处理器的个数，我们经常将调度器的GOMAXPROCS设置成CPU的个数，因此这里P一般来说是机器CPU的个数。
• M是线程，在P处理器上关联一个线程，P和M的一组配对组成了局部的协程队列
• G就是协程，需要被添加到由P和M组成的局部队列中依次处理
• 除了局部的协程外，在全局还维护了一个协程队列。
• 如果局部协程队列中处理完了所有队列，且没有新队列，那么M线程会取消对于CPU的占用，M线程进入休眠