8.1Go并发

第八章 Go并发

Go语言区别于其他语言的一大特点就是出色的并发性能，最重要的一个特性那就是go关键字。

并发场景：

• UI小姐姐一边开着PS软件，一边微信疯狂的和产品经理打字交流，后台还听着网易云音乐。。
• 双11当天。。大伙疯狂的访问淘宝网站
• CPU从单核向多核发展，计算机程序不该是串行的，浪费资源
• 串行程序由于IO操作被阻塞，整个程序处于停滞状态，其他IO无关的任务无法执行

并发必要性：

• 充分利用CPU核心的优势，提高程序执行效率

实现并发的模型：

• 多进程，多进程是在操作系统层面并发的基本模式，进程间互不影响，但是开销最大，进程由内核管理。
• 多线程，属于系统层面的并发模式，也是用的最多的有效模式，大多数软件使用多线程，开销小于多进程。
• 基于回调的非阻塞/异步IO。此架构处于多线程模式的危机，高并发服务器下，多线程会消耗殆尽服务器的内存和CPU资源。而通过事件驱动的方式使用异步IO，尽可能少用线程，降低开销，Node.js就是如此实践，但是此模式编程复杂度较高。
• 协程，Coroutine是一种用户态线程，寄存于线程中，系统开销极小，可以有效提高线程任务并发性，使用方式简单，结构清晰，避免多线程的缺点。需要编程语言的支持，如不支持，需要用户自行实现调度器。

共享内存系统是比较常用的并发模式，线程之间通信采用共享内存的方式，程序员需要加锁等操作避免死锁、资源竞争等问题。

计算机科学家又研制出了消息传递系统，对线程间共享状态的各种操作被封装在线程之间传递的消息中。

Communicating Sequential Processes（顺序通信进程），在CSP系统中，所有的并发操作都是通过独立线程以异步的方式运行，这些线程必须通过再彼此之间发送消息，从而向另一个线程请求信息。

1.1. 进程和线程

进程是程序在操作系统中的一次执行过程，是系统进行资源分配和调度的基本单位。

线程是进程的一个执行实例，是比进程更小的独立运行的基本单位。

进程可以创建或销毁多个线程，同一个进程中的多个线程可以并发执行（如百度云盘进程中的，多个下载任务）。

一个程序至少一个进程，一个进程至少一个线程。

“并发”指的是程序的结构，“并行”指的是程序运行时的状态

1.1.1. 并行（parallelism）

这个概念很好理解。所谓并行，就是同时执行的意思，无需过度解读。判断程序是否处于并行的状态，就看同一时刻是否有超过一个“工作单位”在运行就好了。

所以，单线程永远无法达到并行状态。

要达到并行状态，最简单的就是利用多线程和多进程。

但是 Python 的多线程由于存在著名的 GIL，无法让两个线程真正“同时运行”，所以实际上是无法到达并行状态的。

1.1.2. 并发（concurrency）

要理解“并发”这个概念，必须得清楚，并发指的是程序的“结构”。

当我们说这个程序是并发的，实际上，这句话应当表述成“这个程序采用了支持并发的设计”。好，既然并发指的是人为设计的结构，那么怎样的程序结构才叫做支持并发的设计？

正确的并发设计的标准是：使多个操作可以在重叠的时间段内进行(two tasks can start, run, and complete in overlapping time periods)。

1.1.3. 并发和并行

1）多线程程序在单核CPU上运行，就是并发

2）多线程程序在多核CPU上运行，就是并行

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为何人们常说提升并发，而不是提升并行？

因为并发是通过时间片轮转进行进程调度，是通过技术手段提升并发。

而并行是通过硬件提升效率，有钱人可以买一个128核的服务器。

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1.2. 协程是什么

执行单位是个抽象的概念，操作系统层面有多个概念与之对应，比如操作系统掌管的进程（process）、进程内的线程（thread）以及进程内的协程（coroutine）。

协程在于轻量级，轻松创建百万个而不会导致系统资源衰竭。

多数语言语法层面不直接支持协程，而是通过库的方式支持，然而库的功能也仅仅是线程的创建、销毁与切换，而无法达到协程调用同一个IO操作，如网络通信，文件读写等。

非抢占式多任务处理，由协程主动交出控制权。消耗的资源更少

编译器/解释器/虚拟机层面的多任务，实现的协程调度。

多个协程可能在一个或多个线程上运行。

1.3. 其他语言的协程

c++ Boost.Coroutine
Java不支持
Python 用yield关键字实现协程  3.5之后async def对协程支持，异步函数的定义
golang 不需要定义时区分是否是异步函数 go func(){}

1.4. goroutine

Golang在语言层面支持协程，名为goroutine，Go语言标准库提供所有系统调用操作，都会让出CPU给其他goroutine，使得协程切换管理不依赖于系统的线程和进程，也不依赖于CPU核数。

一个Go进程，可以启动多个goroutine协程。

main函数也是goroutine。

一个普通的机器运行几十个线程负载已经很高了，然而可以轻松创建百万个goroutine。

go标准库的net包，写出的go web server性能直接媲美Nginx。

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1.5. goroutine可能的切换点

I/O
select
channel
函数调用
runtime.Gosched()
等待锁

1.6. goroutine入门

第一个goroutine，开启协程，执行函数hello()

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func hello() {
    fmt.Println("hello goroutine")
}

func main() {
    go hello()
    fmt.Println("main thread terminate")
    time.Sleep(time.Second)
}

批量开启协程

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func hello(i int) {
    fmt.Println("hello goroutine", i)
}

func main() {
    //循环开启10个协程，分别执行hello()函数
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go hello(i)
    }
    time.Sleep(time.Second)
}

编写代码，完成功能

1.在go主进程中，开启goroutine，该协程每秒输出一个你好，我是goroutine

2.在主进程中也每秒输出一个我很好，我是主进程，输出10次后退出程序

3.要求主进程和goroutine同时执行

package main

import (
    "fmt"
    "strconv"
    "time"
)

//定义一个协程任务函数
func test() {
    for i := 0; i <= 10; i++ {
        fmt.Println("你好，我是goroutine" + strconv.Itoa(i))
        time.Sleep(time.Second) //睡眠1秒
    }
}

func main() {
    go test()
    for i := 0; i <= 10; i++ {
        fmt.Println("我很好，我是主进程" + strconv.Itoa(i))
        time.Sleep(time.Second) //睡眠1秒
    }
}

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提示：检测主进程结束，协程也立即结束，或是检测主进程未结束，协程提前退出，可以修改for循环的次数！

1.7. runtime包控制goroutine

runtime.Gosched()让出时间片，如同接力赛跑，让出了接力棒。

gosched如同yield作用，暂停当前的goroutine，放回队列等待下次执行。

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
)

func main() {
    go func() {
        for i := 0; i < 5; i++ {
            fmt.Println("你愁啥")
        }
    }()

    for i := 0; i < 2; i++ {
        //让出时间片，让其他协程执行
        runtime.Gosched()
        fmt.Println("尼古拉斯赵四")
    }
}

runtime.Goexit()终止当前协程

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "time"
)

func test() {
    defer fmt.Println("ccc")
    //return  //函数终止，打印a  c  b  结束
    runtime.Goexit() //退出所在协程，  打印 a c  退出主进程
    fmt.Println("ddd")
}

func main() {
    go func() {
        fmt.Println("aaa")
        test()
        fmt.Println("bbb")
    }()
    //
    time.Sleep(time.Second * 3)
}

Go与多核的优势，设置cpu运行数目

go version < 1.8 需要手动设置多核

go version > 1.8 默认用多核，无须设置

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
)

func main() {
    cpuNum := runtime.NumCPU()
    //可以在这演示下单核时，时间片无切换，仅仅打印数字0的实验 runtime.GOMAXPROCS(1)
    runtime.GOMAXPROCS(cpuNum)
    for i := 0; i < 500; i++ {
        go fmt.Print(1)
        fmt.Print(0)
    }
}

1.8. goroutine使用recover

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func test() {
    defer func() {
        if err := recover(); err != nil {
            fmt.Println("出错了：", err)
        }
    }()

    var m map[string]int
    //map必须初始化才能使用
    //m=make(map[string]int,10)
    m["stu"] = 111

}

func calc() {
    for {
        fmt.Println("我是calc函数")
        time.Sleep(time.Second)
    }
}

func main() {
    go test() //协程执行函数，这个函数有错的话,程序会panic退出，做好异常捕捉
    for i := 0; i < 2; i++ {
        go calc()
    }
    time.Sleep(time.Second * 10)
}