Golang 併發編程

前言

簡而言之，所謂併發編程是指在一臺處理器上「同時」處理多個任務。

隨着硬件的發展，併發程序變得愈來愈重要。Web服務器會一次處理成千上萬的請求。平板電腦和手機app在渲染用戶畫面同時還會後臺執行各類計算任務和網絡請求。即便是傳統的批處理問題--讀取數據，計算，寫輸出--如今也會用併發來隱藏掉I/O的操做延遲以充分利用現代計算機設備的多個核心。計算機的性能每一年都在以非線性的速度增加。

宏觀的併發是指在一段時間內，有多個程序在同時運行。

併發在微觀上，是指在同一時刻只能有一條指令執行，但多個程序指令被快速的輪換執行，使得在宏觀上具備多個進程同時執行的效果，但在微觀上並非同時執行的，只是把時間分紅若干段，使多個程序快速交替的執行。

並行和併發

並行： 並行(parallel)：指在同一時刻，有多條指令在多個 CPU 處理器上同時執行。

併發(concurrency)： 指在同一時刻只能有一條指令執行，但多個進程指令被快速的輪換執行。使得在宏觀上具備多個進程同時執行的效果，但在微觀上並非同時執行的，只是把時間分紅若干段，經過 cpu 時間片輪轉使多個進程快速交替的執行。

• 宏觀：用戶體驗上，程序在並行執行。
• 微觀：多個計劃任務，順序執行，在飛快的切換，輪換使用 cpu 時間輪片。

大師曾以咖啡機的例子來解釋並行和併發的區別：

• 並行是兩個隊列同時使用兩臺咖啡機 （真正 的多任務）
• 併發是兩個隊列交替使用一臺咖啡機 （ 假 的多任務）

常見併發編程技術

進程併發

程序和進程

程序，是指編譯好的二進制文件，只佔用磁盤空間，不佔用系統資源(cpu、內存、打開的文件、設備、鎖 ...)

進程，是一個抽象的概念，與操做系統原理聯繫緊密。進程是活躍的程序，佔用系統資源。在內存中執行。(程序運行起來，產生一個進程)

程序 → 劇本(紙) 進程 → 戲(舞臺、演員、燈光、道具 ...)

同一個劇本能夠在多個舞臺同時上演。一樣，同一個程序也能夠加載爲不一樣的進程(彼此之間互不影響)

如：同時開兩個終端。各自都有一個 bash 但彼此 ID 不一樣。

在 windows 系統下，經過查看「任務管理器」，能夠查看相應的進程。運行起來的程序就是一個進程。以下圖所示：

進程狀態

進程基本的狀態有5種。分別爲初始態，就緒態，運行態，掛起（阻塞）態與終止（中止）態。其中初始態爲進程準備階段，常與就緒態結合來看。

進程併發

在使用進程 實現併發時會出現什麼問題呢？

• 系統開銷比較大，佔用資源比較多，開啓進程數量比較少。
• 在 unix/linux 系統下，還會產生孤兒進程和殭屍進程。

經過前面查看操做系統的進程信息，咱們知道在操做系統中，能夠產生不少的進程。

在 unix/linux 系統中，正常狀況下，子進程是經過父進程 fork 建立的，子進程再建立新的進程。

而且父進程永遠沒法預測子進程到底何時結束。 當一個 進程完成它的工做終止以後，它的父進程須要調用系統調用取得子進程的終止狀態。

孤兒進程：父進程先於子進程結束，則子進程成爲孤兒進程，子進程的父進程成爲 init 進程，稱爲 init 進程領養孤兒進程。

殭屍進程：子進程終止，父進程還沒有回收，子進程殘留資源（PCB）存放於內核中，變成殭屍（Zombie）進程。

Windows 下的進程和 Linux 下的進程是不同的，它比較懶惰，歷來不執行任何東西，只是爲線程提供執行環境。而後由線程負責執行包含在進程的地址空間中的代碼。當建立一個進程的時候，操做系統會自動建立這個進程的第一個線程，成爲主線程。

線程併發

什麼是線程

LWP：light weight process 輕量級的進程，本質還是進程 (Linux下)

進程：獨立地址空間，擁有 PCB

線程：有獨立的 PCB，但沒有獨立的地址空間(共享)

區別：在因而否共享地址空間。獨居(進程)；合租(線程)。

進程：最小分配資源單位，可當作是隻有一個線程的進程。

線程：最小的執行單位

Windows 系統下，能夠直接忽略進程的概念，只談線程。由於線程是最小的執行單位，是被系統獨立調度和分派的基本單位。而進程只是給線程提供執行環境。

線程同步

同步即協同步調，按預約的前後次序運行。

線程同步，指一個線程發出某一功能調用時，在沒有獲得結果以前，該調用不返回。同時其它線程爲保證數據一致性，不能調用該功能。

舉例1： 銀行存款 5000。櫃檯：取3000；同時提款機：取 3000。剩餘：2000。

舉例2： 內存中 100 字節，線程T1欲填入全1， 線程T2欲填入全0。但若是T1執行了50個字節失去cpu，T2執行，會將T1寫過的內容覆蓋。當T1再次得到cpu繼續 從失去cpu的位置向後寫入1，當執行結束，內存中的100字節，既不是全1，也不是全0。

產生的現象叫作「與時間有關的錯誤」(time related)。爲了不這種數據混亂，線程須要同步。

「同步」的目的，是爲了不數據混亂，解決與時間有關的錯誤。實際上，不只線程間須要同步，進程間、信號間等等都須要同步機制。

所以，全部「多個控制流，共同操做一個共享資源」的狀況，都須要同步。

鎖的應用

互斥量 mutex

Linux 中提供一把互斥鎖 mutex（也稱之爲互斥量）。

每一個線程在對資源操做前都嘗試先加鎖，成功加鎖才能操做，操做結束解鎖。

資源仍是共享的，線程間也仍是競爭的，但經過「鎖」就將資源的訪問變成互斥操做，然後與時間有關的錯誤也不會再產生了。

可是應注意：同一時刻，只能有一個線程持有該鎖。

當 A 線程對某個全局變量加鎖訪問，B 在訪問前嘗試加鎖，拿不到鎖，B 阻塞。C 線程不去加鎖，而直接訪問該全局變量，依然可以訪問，但會出現數據混亂。

因此，互斥鎖實質上是操做系統提供的一把「建議鎖」（又稱「協同鎖」），建議程序中有多線程訪問共享資源的時候使用該機制。可是並無強制限定。

所以，即便有了 mutex，若是有線程不按規則來訪問數據，依然會形成數據混亂。

讀寫鎖

與互斥量相似，但讀寫鎖容許更高的並行性。其特性爲：寫獨佔，讀共享。

讀寫鎖狀態：

特別強調：讀寫鎖只有一把，但其具有兩種狀態：

• 讀模式下加鎖狀態 (讀鎖)
• 寫模式下加鎖狀態 (寫鎖)

讀寫鎖特性：

• 讀寫鎖是「寫模式加鎖」時，解鎖前，全部對該鎖加鎖的線程都會被阻塞。
• 讀寫鎖是「讀模式加鎖」時， 若是線程以讀模式對其加鎖會成功；若是線程以寫模式加鎖會阻塞。
• 讀寫鎖是「讀模式加鎖」時， 既有試圖以寫模式加鎖的線程，也有試圖以讀模式加鎖的線程。那麼讀寫鎖會阻塞隨後的讀模式鎖請求。優先知足寫模式鎖。讀鎖、寫鎖並行阻塞，寫鎖優先級高

讀寫鎖也叫共享-獨佔鎖。當讀寫鎖以讀模式鎖住時，它是以共享模式鎖住的；當它以寫模式鎖住時，它是以獨佔模式鎖住的。寫獨佔、讀共享。

讀寫鎖很是適合於對數據結構讀的次數遠大於寫的狀況。

協程併發

協程：coroutine。也叫輕量級線程。

與傳統的系統級線程和進程相比，協程最大的優點在於「輕量級」。能夠輕鬆建立上萬個而不會致使系統資源衰竭。而線程和進程一般很難超過1萬個。這也是協程別稱「輕量級線程」的緣由。

一個線程中能夠有任意多個協程，但某一時刻只能有一個協程在運行，多個協程分享該線程分配到的計算機資源。

多數語言在語法層面並不直接支持協程，而是經過庫的方式支持，但用庫的方式支持的功能也並不完整，好比僅僅提供協程的建立、銷燬與切換等能力。若是在這樣的輕量級線程中調用一個同步 IO 操做，好比網絡通訊、本地文件讀寫，都會阻塞其餘的併發執行輕量級線程，從而沒法真正達到輕量級線程自己指望達到的目標。

在協程中，調用一個任務就像調用一個函數同樣，消耗的系統資源最少！但能達到進程、線程併發相同的效果。

協程的目的：提升程序執行的效率。

在一次併發任務中，進程、線程、協程都可以實現。從系統資源消耗的角度出發來看，進程至關多，線程次之，協程最少。

進程、線程、協程 總結

• 進程、線程、協程均可以完成併發。
• 進程併發穩定性高、開銷大。
• 線程開銷小（節省資源）。
• 協程效率高。

選擇哪種進行併發並無一個統一的答案，須要根據具體狀況具體分析。

最後，舉一個例子幫助你們更好的理解一下三者的區別：

好比說我是一家生產手機的老闆，要經過一條生產線（進程）去生產手機，光有生產線還不夠，還須要工人（線程）來完成手機的生產。

這時只有一條生產線，一個工人，咱們能夠看做是一個單進程、單線程的程序。

接下來我發現這樣效率過低了，我要多招工人，假設招了 50 個工人，也就是有了 50 個線程。

這時有一條生產線，50 個工人，咱們能夠看做是一個單進程、多線程的程序。

再接下來，還想提升效率，我弄 10 條生產線，每條生產線招 50 個工人，那麼就須要 500 個工人。

這時有 10 條生產線，500 個工人，咱們能夠看做是一個多進程、多線程的程序。

可是若是上一個程序沒有完成，接下來的工人都會在等待。那麼就會有工人在這時刷刷微博、逛逛朋友圈什麼的。我心想這不行，我得把這空閒時間利用起來啊。因此，老闆又制定了一條規則：全部工人，若是有空閒時間，都要到我家來搬磚（協程）。

這時有 10 條生產線，500 個工人，工做的同時還去我家幫忙搬磚，咱們能夠看做是一個多進程、多線程、多協程的程序。（我可真是個黑心老闆 ...）

Go 併發

Go 在語言級別支持協程，叫 goroutine。Go 語言標準庫提供的全部系統調用操做（包括全部同步IO操做），都會出讓 CPU 給其餘 goroutine。這讓輕量級線程的切換管理不依賴於系統的線程和進程，也不須要依賴於 CPU 的核心數量。

有人把 Go 比做21世紀的 C 語言。第一是由於 Go 語言設計簡單，第二，21世紀最重要的就是並行程序設計，而 Go 從語言層面就支持並行。同時，併發程序的內存管理有時候是很是複雜的，而 Go 語言提供了自動垃圾回收機制。

Go 語言爲併發編程而內置的上層 API 基於順序通訊進程模型 CSP(communicating sequential processes)。這就意味着顯式鎖都是能夠避免的，由於 Go 經過相對安全的通道發送和接受數據以實現同步，這大大地簡化了併發程序的編寫。

Go 語言中的併發程序主要使用兩種手段來實現。goroutine 和 channel。

李培冠博客

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