golang的并发不等于并行

转自个人博客 chinazt.cc

先看下面一道面试题:

func main() {
	runtime.GOMAXPROCS(1)
	wg := sync.WaitGroup{}
	wg.Add(20)
	for i := 0; i < 10; i++ {
		go func() {
			fmt.Println("go routine 1 i: ", i)
			wg.Done()
		}()
	}
	for i := 0; i < 10; i++ {
		go func(i int) {
			fmt.Println("go routine 2 i: ", i)
			wg.Done()
		}(i)

	}
	wg.Wait()
}

在不执行代码的前提下，脑补一下输出结果应该是什么。

我再看到这道题时，首先想到输出应该是0 -- 9 依次输出。 但执行后才大跌眼镜，错的不是一点半点。首先看一下，在我本地执行的结果:

go routine 2 i: 9
go routine 1 i: 10
go routine 1 i: 10
go routine 1 i: 10
go routine 1 i: 10
go routine 1 i: 10
go routine 1 i: 10
go routine 1 i: 10
go routine 1 i: 10
go routine 1 i: 10
go routine 1 i: 10
go routine 2 i: 0
go routine 2 i: 1
go routine 2 i: 2
go routine 2 i: 3
go routine 2 i: 4
go routine 2 i: 5
go routine 2 i: 6
go routine 2 i: 7
go routine 2 i: 8

意不意外？ 惊不惊喜？

为什么会是这样的结果， 再翻阅了google官方出品的golang文档之后，总算搞到了一些头绪。

并发不等于并行

golang的核心开发人员Rob Pike专门提到了这个话题(有兴趣可以看这个视频或者看原文PPT)

虽然我们在for循环中使用了go 创建了一个goroutine，我们想当然会认为，每次循环变量时，golang一定会执行这个goroutine，然后输出当时的变量。 这时，我们就陷入了思维定势。 默认并发等于并行。

诚然，通过go创建的goroutine是会并发的执行其中的函数代码。 但一定会按照我们所设想的那样每次循环时执行吗？ 答案是否定的！

Rob Pike专门提到了golang中并发指的是代码结构中的某些函数逻辑上可以同时运行，但物理上未必会同时运行。而并行则指的就是在物理层面也就是使用了不同CPU在执行不同或者相同的任务。

golang的goroutine调度模型决定了，每个goroutine是运行在虚拟CPU中的(也就是我们通过runtime.GOMAXPROCS(1)所设定的虚拟CPU个数)。 虚拟CPU个数未必会和实际CPU个数相吻合。每个goroutine都会被一个特定的P(虚拟CPU)选定维护，而M(物理计算资源)每次回挑选一个有效P，然后执行P中的goroutine。

每个P会将自己所维护的goroutine放到一个G队列中，其中就包括了goroutine堆栈信息，是否可执行信息等等。默认情况下，P的数量与实际物理CPU的数量相等。因此当我们通过循环来创建goroutine时，每个goroutine会被分配到不同的P队列中。而M的数量又不是唯一的，当M随机挑选P时，也就等同随机挑选了goroutine。

在本题中，我们设定了P=1。所以所有的goroutine会被绑定到同一个P中。 如果我们修改runtime.GOMAXPROCS的值，就会看到另外的顺序。 如果我们输出goroutine id，就可以看到随机挑选的效果:

func main() {
	wg := sync.WaitGroup{}
	wg.Add(20)
	for i := 0; i < 10; i++ {
		go func() {
			var buf [64]byte
			n := runtime.Stack(buf[:], false)
			idField := strings.Fields(strings.TrimPrefix(string(buf[:n]), "goroutine "))[0]
			id, err := strconv.Atoi(idField)
			if err != nil {
				panic(fmt.Sprintf("cannot get goroutine id: %v", err))
			}
			fmt.Println("go routine 1 i: ", i, id)
			wg.Done()
		}()
	}
	for i := 0; i < 10; i++ {
		go func(i int) {
			var buf [64]byte
			n := runtime.Stack(buf[:], false)
			idField := strings.Fields(strings.TrimPrefix(string(buf[:n]), "goroutine "))[0]
			id, err := strconv.Atoi(idField)
			if err != nil {
				panic(fmt.Sprintf("cannot get goroutine id: %v", err))
			}
			fmt.Println("go routine 2 i: ", i, id)
			wg.Done()
		}(i)

	}
	wg.Wait()
}

输出如下:

go routine 2 i: 9 24
go routine 1 i: 10 11
go routine 1 i: 10 5
go routine 1 i: 10 6
go routine 2 i: 3 18
go routine 1 i: 10 9
go routine 1 i: 10 10
go routine 1 i: 10 8
go routine 2 i: 0 15
go routine 2 i: 4 19
go routine 2 i: 6 21
go routine 1 i: 10 7
go routine 1 i: 10 14
go routine 2 i: 7 22
go routine 2 i: 8 23
go routine 1 i: 10 13
go routine 2 i: 5 20
go routine 1 i: 10 12
go routine 2 i: 1 16
go routine 2 i: 2 17

⋊> ~/S/g/g/s/t/C/goroutine ./goroutine
go routine 1 i: 10 11
go routine 2 i: 9 24
go routine 1 i: 10 6
go routine 1 i: 10 14
go routine 1 i: 10 9
go routine 1 i: 10 10
go routine 1 i: 10 12
go routine 2 i: 0 15
go routine 1 i: 10 13
go routine 1 i: 10 5
go routine 2 i: 1 16
go routine 2 i: 5 20
go routine 1 i: 10 7
go routine 2 i: 7 22
go routine 2 i: 3 18
go routine 2 i: 2 17
go routine 2 i: 4 19
go routine 1 i: 10 8
go routine 2 i: 8 23
go routine 2 i: 6 21

我们再回到这道题中，虽然在循环中通过go定义了一个goroutine。但我们说到了，并发不等于并行。因此虽然定义了，但此刻不见得就会去执行。需要等待M选择P之后，才能去执行goroutine。 关于golang中goroutine是如何进行调度的(GPM模型)，可以参考Scalable Go Scheduler Design Doc或者LearnConcurrency

这时应该就可以理解为什么会先输出goroutine2然后再输出goroutine1了吧。

下面我们来解释为什么goroutine1中输出的都是10.

goroutine如何绑定变量

在golang的for循环中，golang每次都使用相同的变量实例(也就是题中所使用的i)。 而golang之间是共享环境变量的。

当调度到这个goroutine时，它就直接读取所保存的变量地址，此时就会出现一个问题：goroutine保存的只是变量地址，所以变量是有可能被修改的。

再结合题中的for循环，每次使用的都是同一个变量地址，也就是说i每次都在变化，到循环结束之时，i就变成了10. 而goroutine中保存的也只有i的内存地址而已，所以当goroutine1执行时，毫不犹豫的就把i的内容读了出来，多少呢？ 10！

但为什么goroutine2不是10呢？

反过来看goroutine2，就容易理解了。因为在每次循环中都重新生成了一个新变量，然后每个goroutine保存的是各自新变量的地址。 这些变量相互之间互不干扰，不会被任何人所篡改。因此在输出时，会从0 - 9依次输出。

其实这些问题，golang官方已经发过预警提示。 只管自己看官方文档的习惯，所以直接栽坑里了。

好在及时发现了自己的不足，亡羊补牢，为时未晚吧。