go并发 - goroutine

概述

Go并发模型独树一帜，简洁、高效。Go语言最小执行单位称为协程(goroutine)，运行时可以创建成千万上个协程，这在Java、C等线程模型中是不可想象的，并发模型是Go的招牌能力之一。很多文章描述协程是轻量级的线程，并不准确，两者在底层有本质区别。线程是由操作系统维护，以Linux为例，系统调用创建线程，并由操作系统调度执行，在内核空间管理、与进程共享PCB对象、共享堆空间、独立调用栈和寄存器，是操作系统最小的调度对象，软中断触发操作系统切换调度。协程是由Go运行时维护，与操作系统线程不是对等关系，多个协程简共享堆栈空间，在用户空间维护，由Go运行时自行调度。不依赖系统中断可以做了非常轻量级。

调度可简单理解就是如何安排任务，合理高效的调度任务，可显著提升性能和降低复杂度。以Linux网络Io模型为例，经过多年的发展也就出现五种模型（阻塞 I/O、非阻塞 I/O、多路复用 I/O、信号驱动 I/O、异步 I/O）。传输层不变、TCP/IP协议栈不变、应用层协议不变、操作系统不变、硬件配置不变，不同Io模型性能差别非常大，这就是调度的威力。操作系统对线程的调度是自闭环的，不提供用户侧的控制接口，并行线程数与CPU数一致，线程切换是很重的操作，没有优化空间，完全寄托于操作系统进程管理能力。协程运行在线程之上，由go运行时维护，创建、同步、销毁、调度等，全部用户空间完成，可以做到和函数栈调用一样轻量级。在Go底层与操作系统交互还是线程模型，从操作系统视角根本看不到协程的存在，并行线程数也没有改变，复杂度也并没有降低，只是从用户侧转移到了Go运行时，总有人要负重前行。go并发模型并没有提升性能，更大作用是降低并发编程难度，降低开发人员心智。

Go的调度模型有专用名词：GPM

• G，表示协程，用户通过go指令创建，数量不受限制
• P，类似CPU，内部维护了队列，G只有加入到P队列后才能被调度，数量由Go自己维护，可通过GOMAXPROCS指定数量
• M，OS线程抽象，负责调度任务，和某个P绑定，从P的中不断取出G，切换堆栈并执行，数量不可指定，由Go Runtime调整

基本使用

一如既往的简洁，使用go指令就可以丝滑的创建一个协程，新协程将会由go运行时调度。

func main() {
    go func() {
        fmt.Println("hello world")
    }()
}

注意，上面代码大概率无法正常工作，不能打印出字符串。匿名函数在新协程中调度执行，main函数在主协程继续执行，两者协程会并发执行。这引出了协程重要特性，go主协程有特权，当主协程执行完毕就退出程序，不管是否存在用户协程。main执行结束退出程序，此时匿名函数还没来得及打印字符串。Java主线程也有类似的特性，但是开放了daemon属性可控制，Go则没有提供控制API。

要顺利打印字出字符串，主协程需要等待用户协程执行结束，本质是协程之间协调问题。

func main() {
    go func() {
        fmt.Println("hello world")
    }()
    time.Sleep(time.Second)		// 主协程睡眠1秒
}

主协程睡眠了1秒，好像很可以工作了，但这是很low的解决方法，极度不靠谱。只要涉及并发编程，就绕不开同步机制，这是并发编程的核心内容，也是并发编程的复杂度所在，独立章节介绍。

另一个方法可以阻塞主协程，等待通知后继续执行

func main() {
    wg := new(sync.WaitGroup)
    wg.Add(1)

    go func() {
        fmt.Println("hello world")
    }()

    wg.Wait()	// 进入等待
}

程序会锁死并panic崩溃退出。主线程进入了等待，却没有收到通知，go运行时可以发现死锁状态，类似逻辑在Java中不会退出，将永远阻塞，因为通知底层依赖操作系统中断机制，Java编译器无法识别死锁问题。而go在用户空间调度，由自己处理调度、同步，大部分死锁问题在编译时候就可以发现。这也可以看出两种调度模型的区别，不过JDK20也支持了虚拟线程，与go协程类似在空间实现调度。

修正后代码如下

func main() {
    wg := new(sync.WaitGroup)
    wg.Add(1)

    go func() {
        fmt.Println("hello world")
        wg.Done()	// 通知
    }()

    wg.Wait()		// 进入等待
}

使用管道也可以实现通知

func main() {
    notice := make(chan bool)
    go func() {
        fmt.Println("hello")
        notice <- true
    }()

    <-notice		// 读取时堵塞，直到读取成功
}

当然也可以使用具名函数启动协程

func working()  {
    fmt.Println("hello")
}
go working()

方法启动协程

type Person struct {
    Name string
}

func (p *Person) GetName() {
    fmt.Println(p.Name)
}

p := &Person{Name: "name"}
go p.GetName()				// 启动协程

在协程执行的函数返回值将被丢弃，无法接收。如果需要返回值，只能使用一些特殊的方法

使用管道接收

func working(resultChannel chan int) {
    ....
    resultChannel<- res;	// 将结果写入管道
}

使用指针接收，调用函数时候传入指针，把结果写入指针指向的内存，这种叫传入传出参数，在C语言中比较常见

func working(data *int) {
    ....
    *data = res				// 结果写入指针指向内存
}

与其他语言一样，Go没有提供主动中断协程的API，大多数使用chan+select实现优雅退出，需要小心处理，容易出现协程泄漏问题。另外任何协程中出现panic，整个程序会崩溃，可根据情况按需捕获

func working() {
    defer func() {
        if err := recover(); err != nil {	// 捕获错误，程序不会panic
            fmt.Println("error:", err)
        }
    }()

    ...			// 业务逻辑
}

go working()	// 启动协程