GO的并发之道-Goroutine调度原理&Channel详解
一、goroutine简介
Golang被极度赞扬的是它的异步机制，也就是goroutine。goroutine使用方式非常的简单，只需使用go关键字即可启动一个协程, 并且它是处于异步方式运行，你不需要等它运行完成以后再执行以后的代码。
go func()//通过go关键字启动一个协程来运行函数
除去语法上的简洁，goroutine是一个协程，也就是比线程更节省资源，一个线程中可以有多个协程，而且goroutine被分配到多个CPU上运行，是真正意义上的并发。
go func()//通过go关键字启动一个协程来运行函数
二、goroutine内部原理
在介绍goroutine原理之前，先对一些关键概念进行介绍：
关键概念
并发
一个cpu上能同时执行多项任务，在很短时间内，cpu来回切换任务执行(在某段很短时间内执行程序a，然后又迅速得切换到程序b去执行)，有时间上的重叠（宏观上是同时的，微观仍是顺序执行）,这样看起来多个任务像是同时执行，这就是并发。
并行
当系统有多个CPU时,每个CPU同一时刻都运行任务，互不抢占自己所在的CPU资源，同时进行，称为并行。
简单理解
你吃饭吃到一半，电话来了，你一直到吃完了以后才去接，这就说明你不支持并发也不支持并行。
你吃饭吃到一半，电话来了，你停了下来接了电话，接完后继续吃饭，这说明你支持并发。
你吃饭吃到一半，电话来了，你一边打电话一边吃饭，这说明你支持并行。并发的关键是你有处理多个任务的能力，不一定要同时。
并行的关键是你有同时处理多个任务的能力。在计算机中就是：
所以我认为它们最关键的点就是：是否是『同时』。
进程
cpu在切换程序的时候，如果不保存上一个程序的状态（也就是我们常说的context--上下文），直接切换下一个程序，就会丢失上一个程序的一系列状态，于是引入了进程这个概念，用以划分好程序运行时所需要的资源。
因此进程就是一个程序运行时候的所需要的基本资源单位（也可以说是程序运行的一个实体）。
线程
cpu切换多个进程的时候，会花费不少的时间，因为切换进程需要切换到内核态，而每次调度需要内核态都需要读取用户态的数据，进程一旦多起来，cpu调度会消耗一大堆资源，因此引入了线程的概念，线程本身几乎不占有资源，他们共享进程里的资源，内核调度起来不会那么像进程切换那么耗费资源。
线程是进程的一个执行实体，是CPU调度和分派的基本单位，它是比进程更小的能独立运行的基本单位。
NOTE：线程包括三大类，而且goroutine也并非真正地协程。（请查看:《线程那些事儿》）
有时候为了方便理解可以简单把goroutine类比成协程，但心里一定要有个清晰的认知 — goroutine并不等同于协程。
协程
协程拥有自己的寄存器上下文和栈。协程调度切换时，将寄存器上下文和栈保存到其他地方，在切回来的时候，恢复先前保存的寄存器上下文和栈。因此，协程能保留上一次调用时的状态（即所有局部状态的一个特定组合），每次过程重入时，就相当于进入上一次调用的状态，换种说法：进入上一次离开时所处逻辑流的位置。线程和进程的操作是由程序触发系统接口，最后的执行者是系统；协程的操作执行者则是用户自身程序，goroutine也是协程。
G-P-M调度模型简介
groutine能拥有强大的并发实现是通过GPM调度模型实现，下面就来解释下goroutine的调度模型。
M:M代表内核级线程，一个M就是一个线程，goroutine就是跑在M之上的；M是一个很大的结构，里面维护小对象内存cache（mcache）、当前执行的goroutine、随机数发生器等等非常多的信息
G:代表一个goroutine，它有自己的栈，instruction pointer和其他信息（正在等待的channel等等），用于调度。
P:P全称是Processor，处理器，它的主要用途就是用来执行goroutine的，所以它也维护了一个goroutine队列，里面存储了所有需要它来执行的goroutine
NOTE：G-P-M模型详解，请查看该篇博文。
调度实现
P的数量可以通过GOMAXPROCS()来设置，它其实也就代表了真正的并发度，即有多少个goroutine可以同时运行。
图中灰色的那些goroutine并没有运行，而是出于ready的就绪态，正在等待被调度。P维护着这个队列（称之为runqueue），
Go语言里，启动一个goroutine很容易：go function 就行，所以每有一个go语句被执行，runqueue队列就在其末尾加入一个
goroutine，在下一个调度点，就从runqueue中取出（如何决定取哪个goroutine？）一个goroutine执行。
当一个OS线程M0陷入阻塞时（如下图)，P转而在运行M1，图中的M1可能是正被创建，或者从线程缓存中取出。
如果没有拿到的话，它就把goroutine放在一个global runqueue里，然后自己睡眠（放入线程缓存里）。所有的P也会周期性的检查global runqueue并运行其中的goroutine，否则global runqueue上的goroutine永远无法执行。
三、使用goroutine
基本使用
设置goroutine运行的CPU数量，最新版本的go已经默认已经设置了。
num := runtime.NumCPU() //获取主机的逻辑CPU个数 runtime.GOMAXPROCS(num) //设置可同时执行的最大CPU数
使用示例
package main import ( "fmt" "time" ) func cal(a int , b int ) { c := a+b fmt.Printf("%d + %d = %d\n",a,b,c) } func main() { for i :=0 ; i<10 ;i++{ go cal(i,i+1) //启动10个goroutine 来计算 } time.Sleep(time.Second * 2) // sleep作用是为了等待所有任务完成 } //结果 //8 + 9 = 17 //9 + 10 = 19 //4 + 5 = 9 //5 + 6 = 11 //0 + 1 = 1 //1 + 2 = 3 //2 + 3 = 5 //3 + 4 = 7 //7 + 8 = 15 //6 + 7 = 13
goroutine异常捕捉
当启动多个goroutine时，如果其中一个goroutine异常了，并且我们并没有对进行异常处理，那么整个程序都会终止，所以我们在编写程序时候最好每个goroutine所运行的函数都做异常处理，异常处理采用recover
package main import ( "fmt" "time" ) func addele(a []int ,i int) { defer func() { //匿名函数捕获错误 err := recover() if err != nil { fmt.Println("add ele fail") } }() a[i]=i fmt.Println(a) } func main() { Arry := make([]int,4) for i :=0 ; i<10 ;i++{ go addele(Arry,i) } time.Sleep(time.Second * 2) } //结果 add ele fail [0 0 0 0] [0 1 0 0] [0 1 2 0] [0 1 2 3] add ele fail add ele fail add ele fail add ele fail add ele fail
同步的goroutine
由于goroutine是异步执行的，那很有可能出现主程序退出时还有goroutine没有执行完，此时goroutine也会跟着退出。此时如果想等到所有goroutine任务执行完毕才退出，go提供了sync包和channel来解决同步问题，当然如果你能预测每个goroutine执行的时间，你还可以通过time.Sleep方式等待所有的groutine执行完成以后在退出程序(如上面的列子)。
package main import ( "fmt" "sync" ) func cal(a int , b int ,n *sync.WaitGroup) { c := a+b fmt.Printf("%d + %d = %d\n",a,b,c) defer n.Done() //goroutinue完成后, WaitGroup的计数-1 } func main() { var go_sync sync.WaitGroup //声明一个WaitGroup变量 for i :=0 ; i<10 ;i++{ go_sync.Add(1) // WaitGroup的计数加1 go cal(i,i+1,&go_sync) } go_sync.Wait() //等待所有goroutine执行完毕 } //结果 9 + 10 = 19 2 + 3 = 5 3 + 4 = 7 4 + 5 = 9 5 + 6 = 11 1 + 2 = 3 6 + 7 = 13 7 + 8 = 15 0 + 1 = 1 8 + 9 = 17
示例二：通过channel实现goroutine之间的同步。
实现方式：通过channel能在多个groutine之间通讯，当一个goroutine完成时候向channel发送退出信号,等所有goroutine退出时候，利用for循环channe去channel中的信号，若取不到数据会阻塞原理，等待所有goroutine执行完毕，使用该方法有个前提是你已经知道了你启动了多少个goroutine。
package main import ( "fmt" "time" ) func cal(a int , b int ,Exitchan chan bool) { c := a+b fmt.Printf("%d + %d = %d\n",a,b,c) time.Sleep(time.Second*2) Exitchan <- true } func main() { Exitchan := make(chan bool,10) //声明并分配管道内存 for i :=0 ; i<10 ;i++{ go cal(i,i+1,Exitchan) } for j :=0; j<10; j++{ <- Exitchan //取信号数据，如果取不到则会阻塞 } close(Exitchan) // 关闭管道 }
goroutine之间的通讯
goroutine本质上是协程，可以理解为不受内核调度，而受go调度器管理的线程。goroutine之间可以通过channel进行通信或者说是数据共享，当然你也可以使用全局变量来进行数据共享。
示例：使用channel模拟消费者和生产者模式
package main import ( "fmt" "sync" ) func Productor(mychan chan int,data int,wait *sync.WaitGroup) { mychan <- data fmt.Println("product data：",data) wait.Done() } func Consumer(mychan chan int,wait *sync.WaitGroup) { a := <- mychan fmt.Println("consumer data：",a) wait.Done() } func main() { datachan := make(chan int, 100) //通讯数据管道 var wg sync.WaitGroup for i := 0; i < 10; i++ { go Productor(datachan, i,&wg) //生产数据 wg.Add(1) } for j := 0; j < 10; j++ { go Consumer(datachan,&wg) //消费数据 wg.Add(1) } wg.Wait() } //结果 consumer data： 4 product data： 5 product data： 6 product data： 7 product data： 8 product data： 9 consumer data： 1 consumer data： 5 consumer data： 6 consumer data： 7 consumer data： 8 consumer data： 9 product data： 2 consumer data： 2 product data： 3 consumer data： 3 product data： 4 consumer data： 0 product data： 0 product data： 1
四、channel
不同goroutine之间是如何进行通讯的呢？
- 方法一：全局变量和锁同步
- 方法二：Channel
这里我们主要注重讲解下go中特有的channel，其类似于UNIX中的管道（piple）。
channel概念
channel俗称管道，用于数据传递或数据共享，其本质是一个先进先出的队列，使用goroutine+channel进行数据通讯简单高效，同时也线程安全，多个goroutine可同时修改一个channel，不需要加锁。
channel操作
定义和声明:
1 var 变量名 chan 类型 //channel是有类型的，一个整数的channel只能存放整数 2 3 var test chan int 4 5 var test chan map[string]string 6 7 var test chan *stu
channel可分为三种：
只读channel：只能读channel里面数据，不可写入
只写channel：只能写数据，不可读
一般channel：可读可写
var readOnlyChan <-chan int // 只读chan var writeOnlyChan chan<- int // 只写chan var mychan chan int //读写channel
mychannel = make(chan int,10) //或者 read_only := make (<-chan int,10)//定义只读的channel write_only := make (chan<- int,10)//定义只写的channel read_write := make (chan int,10)//可同时读写
定义完成以后需要make来分配内存空间，不然会deadlock!
//定义一个结构体类型的channel package main type student struct{ name string } func main() { var stuChan chan student stuChan = make(chan student, 10) stu := student{name:"syu01"} stuChan <- stu }
读写数据
ch <- "wd" //写数据 a := <- ch //读取数据 a, ok := <-ch //推荐的读取数据方法
注意：
- 管道如果未关闭，在读取超时会则会引发deadlock异常
- 管道如果关闭进行写入数据会pannic
- 当管道中没有数据时候再行读取或读取到默认值，如int类型默认值是0
遍历管道
- 使用for range遍历管道，如果管道未关闭会引发deadlock错误。
- 如果采用for死循环已经关闭的管道，当管道没有数据时候，读取的数据会是管道的默认值，并且循环不会退出。
package main import ( "fmt" "time" ) func main() { mychannel := make(chan int,10) for i := 0;i < 10;i++{ mychannel <- i } close(mychannel) //关闭管道 fmt.Println("data lenght: ",len(mychannel)) for v := range mychannel { //遍历管道 fmt.Println(v) } fmt.Printf("data lenght: %d",len(mychannel)) }
带缓冲区channe和不带缓冲区channel
带缓冲区channel：定义声明时候制定了缓冲区大小(长度)，可以保存多个数据。
不带缓冲区channel：只能存一个数据，并且只有当该数据被取出时候才能存下一个数据。
ch := make(chan int) //不带缓冲区 ch := make(chan int ,10) //带缓冲区
不带缓冲区示例：
package main import "fmt" func test(c chan int) { for i := 0; i < 10; i++ { fmt.Println("send ", i) c <- i } } func main() { ch := make(chan int) go test(ch) for j := 0; j < 10; j++ { fmt.Println("get ", <-ch) } } //结果： send 0 send 1 get 0 get 1 send 2 send 3 get 2 get 3 send 4 send 5 get 4 get 5 send 6 send 7 get 6 get 7 send 8 send 9 get 8 get 9
channel实现作业池
我们创建三个channel，一个channel用于接受任务，一个channel用于保持结果，还有个channel用于决定程序退出的时候。
package main import ( "fmt" ) func Task(taskch, resch chan int, exitch chan bool) { defer func() { //异常处理 err := recover() if err != nil { fmt.Println("do task error：", err) return } }() for t := range taskch { // 处理任务 fmt.Println("do task :", t) resch <- t // } exitch <- true //处理完发送退出信号 } func main() { taskch := make(chan int, 20) //任务管道 resch := make(chan int, 20) //结果管道 exitch := make(chan bool, 5) //退出管道 go func() { for i := 0; i < 10; i++ { taskch <- i } close(taskch) }() for i := 0; i < 5; i++ { //启动5个goroutine做任务 go Task(taskch, resch, exitch) } go func() { //等5个goroutine结束 for i := 0; i < 5; i++ { <-exitch } close(resch) //任务处理完成关闭结果管道，不然range报错 close(exitch) //关闭退出管道 }() for res := range resch{ //打印结果 fmt.Println("task res：",res) } }
只读channel和只写channel
一般定义只读和只写的管道意义不大，更多时候我们可以在参数传递时候指明管道可读还是可写，即使当前管道是可读写的。
package main import ( "fmt" "time" ) //只能向chan里写数据 func send(c chan<- int) { for i := 0; i < 10; i++ { c <- i } } //只能取channel中的数据 func get(c <-chan int) { for i := range c { fmt.Println(i) } } func main() { c := make(chan int) go send(c) go get(c) time.Sleep(time.Second*1) } //结果 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
select-case实现非阻塞channel
原理通过select+case加入一组管道，当满足（这里说的满足意思是有数据可读或者可写)select中的某个case时候，那么该case返回，若都不满足case，则走default分支。
package main import ( "fmt" ) func send(c chan int) { for i :=1 ; i<10 ;i++ { c <-i fmt.Println("send data : ",i) } } func main() { resch := make(chan int,20) strch := make(chan string,10) go send(resch) strch <- "wd" select { case a := <-resch: fmt.Println("get data : ", a) case b := <-strch: fmt.Println("get data : ", b) default: fmt.Println("no channel actvie") } } //结果：get data : wd
channel中定时器的使用
在对channel进行读写的时，可以对读写进行频率控制，通过time.Ticke实现
示例：
package main import ( "time" "fmt" ) func main(){ requests:= make(chan int ,5) for i:=1;i<5;i++{ requests<-i } close(requests) limiter := time.Tick(time.Second*1) for req:=range requests{ <-limiter fmt.Println("requets",req,time.Now()) //执行到这里，需要隔1秒才继续往下执行，time.Tick(timer)上面已定义 } } //结果： requets 1 2018-07-06 10:17:35.98056403 +0800 CST m=+1.004248763 requets 2 2018-07-06 10:17:36.978123472 +0800 CST m=+2.001798205 requets 3 2018-07-06 10:17:37.980869517 +0800 CST m=+3.004544250 requets 4 2018-07-06 10:17:38.976868836 +0800 CST m=+4.000533569
