云原生系列Go语言篇-并发

Coding Alan 1年前 (2023-03-26) 1062次浏览 0个评论 扫描二维码

本文来自正在规划的Go语言&云原生自我提升系列,欢迎关注后续文章。

并发是一个计算机科学用语,将一个进程分割成独立组件并指明这些组件如何安全共享数据。大部分语言通过库提供并发,使用的是尝试通过获取锁操作执行系统级共享数据的线程。Go独树一帜。它的主要并发模块,很多认认为是Go的最著名的特性,基于CSP(通讯顺序过程)。它依据快速排序算法的发明人Tony Hoare在1978年的论文所描述的并发风格。根据CSP实现的模式和标准并发同样强大,但容易理解多了。

本章中,我们将快速复习支持Go并发的核心特性:协程、通道以及select关键字。然后我们会学习一些常见的Go并发模式,接着我们会学习一些底层技术是更好方法的场景。

何时使用并发

我们先给出一些告诫。并发肯定让程序受益。Go新手在尝试使用并发时,通常会经历一系列阶段:

  1. 它给棒,把所有代码都塞到协程中。
  2. 程序并没有变快。对通道添加缓冲。
  3. 通道发生阻塞并出现了死锁。开始使用超大缓冲的有缓冲通道。
  4. 通道仍出现阻塞。开始使用互斥锁。
  5. 算了,再也不使用并发了。

人们使用并发是因为相信并发的程序运行速度更快。可惜有时却事与愿违。更多的并发并不会自动让程序变快,而且会让程序更难理解。核心点在于明白并发不是并行。并发是一种更好地组织待解决问题的框架。并发代码是否并行(同时执行)取决于硬件以及算法是否允许。1967年,计科的先驱之一Gene Amdahl,提出了阿姆达尔定律。这是一个在给定了多少任务必须顺序执行的情况下,并行处理能在多大程度上提升性能的公式。如果想深入了解阿姆达尔定律,可以学习Clay Breshears所著的并发的艺术一书。这里我们只需要知道更多的并发并不表示更快的速度。

广义来说,所有程序都遵循三步流程:接收数据、处理数据、输出结果。是否该在程序中使用并发取决于数据在程序中如何流动。有时两个步骤可以并发执行,因为相互之间不依赖另一步骤的数据做进一步处理,而其中一步依赖于另一步的输出时就需要顺序执行。在合并多个可独立运行的操作生成的数据时可使用并发。

另外要重点提一下所运行的任务耗时很短并不值得使用并发。并发是有开销的,很多常见内存中的算法非常快,通过并发传递数据所带来的开销远大于并行运行并发代码所节省的时间。这也是为什么并发操作常用于I/O,对磁盘或网络进行数千次读写非常缓慢,而它们又是最复杂的内存进程。如果不确定并发是否有益,先编写顺序执行代码,然后编写基准测试来与并发实现进行性能比较。(参见编写测试一章中如何编写benchmark代码的内容。)

考虑这样一个例子。假设在编写一个调用其它三个web服务的服务。向其中两个服务发送数据,接收这两次调用的结果发送给第三个服务,再返回结果。整个过程必须在50毫秒以内,否则会返回错误。这就是使用并发的一个好场景,因为存在彼此不进行交互的I/O操作,以及合并结果的代码,同时对于代码时长还有限制。在本章结尾,我们就能明白如何实现这段代码。

协程

协程是Go并发模型的核心概念。要理解协程,我们先做几个名词解释。第一个是进程。进程是操作系统中运行中的一个程序实例。操作系统将进程关联一些资源,比如内存,来确保其它进程不会占用它们。进程由多个线程组成。线程是由操作系统分配了一定时间的执行单元。进程中的线程共享资源。CPU根据核数可同时执行一个或多个线程的指令。操作系统的一项任务是调度CPU上的线程来保障进程(以及进程中的每个线程)有运行的机会。

协程是由Go运行时所管理的轻量进程。在Go程序开始运行时,Go运行时会创建一些线程并启动一个协程来运行程序。程序所创建的所有协程,包括初始协程,会自动由Go运行时调度器分配给这些线程,这就和操作系统在多核CPU间调度线程是一样的。看上去可能是画蛇添足,因为底层操作系统已经有管理线程和进程的调度器了,但这么做其实有如下好处:

  • 创建协程也比创建线程更快,因为不是在创建操作系统级别的资源。
  • 协程初始栈大小要小于线程栈的大小并且在可按需增加。这使得内存使用更高效。
  • 协程间的切换要比线程间切换更快速,因为它完全在进程中完成,避免了(相对)较慢的操作系统调用。
  • 调度器可以优化其决策,因为它是Go进程的一部分。调度器协同网络轮询器,监测何时因I/O阻塞而取消协程的调度。它还集成了垃圾回收器,保障在分配给Go进程的所有操作系统线程间均衡地执行操作。

这些优点可以让Go程序产生成百上千甚至是几万个同步的协程。如果尝试使用原生线程在语言中启动几千线程,程序会像蜗牛一样慢。

小贴士:如果深入了解调度器的原理,可以听听Kavya Joshi在GopherCon 2018上主题为The Scheduler Saga的演讲。

通过在函数调用前添加go关键字来开启协助。和其它函数一样,可以向其传递参数来初始化状态。但是函数的返回值会被忽略。

所有函数都能以协程启动。这和JavaScript不同,JS 中必须由作者使用async关键字来声明函数才能异步运行。但是Go中习惯上使用包裹着业务逻辑的闭包来启动协程。闭包负责并发的登记。比如,闭包从通道中读取值并传递给业务逻辑,业务完全不知道运行于协程之中。然后函数的结果会写回到其它通道。(我们会在下一节中简单地概览通道。)责任的分享使得代码模块化、可测试,并将并发维护在你的API之外:

通道

协程使用通道进行通讯。与切片和字典一样,通道也是使用make函数创建的内置类型:

和字典一样,通道也是引用类型。在将通道传递给函数时,实际是向通道传递一个指针。还是与字典和切片一样,通道的零值是nil

读、写和缓冲

使用<-运算符来与通道通信。把<-运算符放到通道变量的左边来读取通道,而写入通道时则放到右边:

写入通道的每个值只能进行一次读取。如果多个协程从同一个通道中读取,写入到通道的值只会被其中的一个读取。

协程很少读取并写入同一通道。在将通道赋值给一个变量或字段,或是传递给函数时,将箭头放到chan关键字前(ch <-chan int) 来表示协程仅从通道中进行读取。将箭头放到chan关键字之后(ch chan<- int) 来表示协程仅向通道写入。这样Go编译器就能保障通道仅由函数读取或写入。

默认通道是无缓冲的。每次对打开的无缓冲通道写入都会导致写协程暂停,直到另一个协程从同一个通道读取。类似地,每次对打开的无缓冲通道读取都会导致读协程暂停,直到另一个协程对同一个通道写入。这表示至少要有两个并发运行的协程才能对无缓冲通道写入或读取。

Go还有带缓冲通道。这些通道会在不阻塞的情况下缓冲一定数量的写入。如果缓冲满了又没有对通道的读取,随后对通道的写入会暂停写协程直到有对通道的读取。就像向满缓冲通道写入一样,读取空缓冲通道也会阻塞住。

在创建通道时通过指定缓冲容量来创建有缓冲通道:

内置函数lencap返回缓冲通道的相关信息。使用len找出缓冲中当前有多少值,使用cap来找出最大缓冲尺寸。缓冲的容量无法修改。

注:对lencap传递无缓冲通道会返回0。这可以理解,因为从定义上来说,无缓冲通道没有用于存储值的缓冲。

大部分时候都应当使用无缓冲通道。在何时使用缓冲和无缓冲通道一节中,我们会讨论使用缓冲通道的场景。

for-range和通道

也可以使用for-range循环来读取通道:

与其它for-range循环不同的是,通道中只声明了一个变量,也就是其值。循环会一直持续,直至通道关闭或是出现了breakreturn语句。

关闭通道

在完成对通道写入后,可以使用内置的close函数关闭通道:

通道在关闭后,写入通道或再次关闭通道都会panic。有趣的是,对关闭的通道读取却总是成功的。如果是有缓冲通道且值尚未被读取,会按顺序进行返回。如果是无缓冲通道或是有缓冲通道中没有值,会返回通道类型的零值。

这就出现和字典相同的问题:在读取通道时,怎么区分写入的就是零值还是因为通道关闭而返回了零值?因为Go致力于语言的一致性,答案也类似:我们使用逗号ok语法来检测通道是否关闭了:

如果ok设为了true,那么通道是打开的。如若设为了false,通道就是关闭的。

小贴士:在读取有可能关闭的通道时,使用逗号ok语句来确保通道仍是开启的。

关闭通道是写入通道的协程的职责。注意只在协程等待通道关闭时才需要关闭通道(比如使用for-range循环来读取通道)。因为通道只是一种变量,Go运行时可以检测到其不再使用而进行垃圾回收。

通道是让Go并发模型独树一帜的两大特性之一。它引导我们把代码看成一系列阶段,并让数据依赖清晰,也就更容易对并发进行推理。其它语言依靠全局共享状态来在线程间通讯。可变共享状态不利于理解程序中的数据流动,也让我们了解线程是否是独立的变得很难。

通道的行为

通道有多种状态,每个状态的读取、写入或关闭的行为都不同。通过表10-1来辅助理解。

图10-1 通道的行为

无缓冲,打开无缓冲,关闭有缓冲,打开有缓冲,关闭Nil
Read在写入前暂停返回零值(使用逗号ok确定是否关闭)在缓冲为空时暂停返回缓冲中的剩余值。如果缓冲为空,返回零值(使用逗号ok确定是否关闭)永远挂起
Write在读取前暂停PANIC在缓冲满了之后暂停PANIC永远挂起
Close正常PANICWorks, remaining values still therePANICPANIC

必须避免导致Go程序panic的场景。前面提到,标准模式是让写协程在没内容再写时负责关闭通道。在有多个协程向同一个通道写入时,问题就变复杂了,因为向同一个通道反复调用close会panic。此外,如果在一个协程中关闭通道,另一个协程在向其写入时也会panic。解决这一问题的方法是使用sync.WaitGroup。我们会在使用WaitGroup一节中通过案例学习。

nil通道也会很危险,但它也有使用场景。我们会在关闭select中的分支一节中讲到。

select

select语句是另一个让Go并发模型别具一格的功能。它是Go中并发的控制结构,可优雅解决一个常见问题:如果可以执行两个并发操作,先执行哪一个呢?不能优先其中一个操作,否则可能一些情况永远不会得到处理。这称之为饥饿(starvation)。

select关键字允许协程对一组多个通道读取或写入。它很像是一个空switch语句:

select中的每个case为对通道的读取或写入。如果某一case可进行读取或写入,那么case的内容体就会执行。和switch一样,select中的每个case有其独立代码块。

如果有多条分支存在通道可读取或写入会怎么样呢?select算法很简单:它随机可执行的分支,顺序并不重要。这与switch语言截然不同,后者总是选择第一个解析为true的分支。它还利落地解决了饥饿问题,没有哪个case有优先级,全部同时进行检测。

select随机选择的另一个好处是防止了最常见的死锁归因:以不一致的顺序获取锁。如果有两个协程都访问同样的两个通道,必须在两个协程中以同样的顺序进行访问,否则会造成死锁。这意味着两者都不能继续执行,因为都在等待另一个。如果Go应用中的每个协程都出现了死锁,Go运行时会杀死程序(见例10-1)。

例10-1 死锁协程

The Go Playground中运行这段程序,会得到如下错误:

别忘了我们的main运行于启动时Go运行时所开启的协程。我们开启协程必须在读取到ch1之后才能继续,而主协程必须在读取到ch2之后才能继续。

如果将主协程访问的通道放到select中,就可以避免死锁(见例10-2)。

例10-2 使用select来避免死锁

The Go Playground 中运行程序得到的输出如下:

因为select会检测有没有分支可以继续,这就避免了死锁。我们所开启的协程将值1写入ch1,因此主协程中从ch1中将值读入v2可以执行。

因为常常配合使用,这种组合通常被称为for-select循环。在使用for-select循环时,必须包含退出循环的方式。我们会在done通道模式一节中学习一种方法。

switch语句一样,select语句可以加default分支。还是和switch一样,在没有分支的通道可读取或写入时会使用default分支。如果希望对通道实现非阻塞读或写,对select使用default。以下代码在ch中无值可以读取时不会等待,它会立即执行default内容体:

我们会在背压(backpressure) 一节使用到default

注:在for-select循环中添加default分支通常都是有问题的。每次循环各分支中没有内容可以读写时就会触发该分支。这会让for循环持续运行,耗费大量的CPU。

并发实践和模式

既然已经讲解了Go为并发所提供的基础工具,我们就来学习一些并发的最佳实践和模式吧。

保持API无并发

并发是一种实现细节,好的API设计应当尽可能隐藏实现细节。这样在修改代码时无需修改其调用方式。

在实践中,这意味着永远不要在API的类型、函数及方法中暴露通道或互斥锁(我们会在何时用互斥锁替换通道中讨论互斥锁)。如果暴露了通道,就将通道管理的职责交给API的使用者了。这表示使用者要关心通道是否有缓冲、是否关闭或是nil。还有可能因访问通道或互斥锁的顺序出问题而导致死锁。

注:这并不是说不能将通道作为函数参数或结构体参数。只是说不应导出。

这一规则也有一些例外。如果API是一个带有并发帮助函数的库(比如time.After,我们会在如何让代码超时一节中使用),通道就会是API的一部分。

协程、for循环及各种变量

大部分时候,用于启动协程的闭包没有任何参数。它是通过声明它的环境中捕获变量。有一个通用场景这种方法不适用,也就是尝试从获取for循环的索引或值时。以下代码包含一个隐藏的bug:

我们为a中的每个开启一个协程。看起来我们为每个协程传递了不同的值,但运行代码得到的结果却是:

每个协程对ch所写入的都是20的原因是,每个协程的闭包获取的是同一个变量。for循环中的索引和值变量在每次迭代中是复用的。最后一次对v所赋的值是10。运行协程时,这就是对协程可见的值。这一问题不只是对for循环,只要协程依赖的变量的值有可能发生变化,就必须将值传递给协程。有两种实现方式。第一种是在循环内遮蔽该值:

如果希望避免遮蔽,让代码流更为清晰,也可以把值作为参数传递给协程:

小贴士:在协程使用的变量值会发生变化时,可以把值作为参数传递给协程:

一定要清理好协程

在启动协程函数时,必须要保证它最终会退出。与变量不同,Go运行时无法监测到协程是否不再使用。如果协程不退出,调度器仍然会定期给它时间,什么工作也不做,这会拖慢程序。这称为协程泄漏(goroutine leak)。

协程是否会退出可能并不那么明显。比如,使用协程作为生成器:

注:这只是一个简短示例,不要使用协程生成数字列表。操作太过简单,违反了我们“何时使用并发”的指导方针。

在这个常见用例中,我们使用所有值的地方协程退出了。但如果循环过早退出,协程就会一直阻塞,等待从通道中读取值:

done通道模式

done通道模式提供了一种发送信号通知协程停止进程的方式。它使用一个通道来发送退出信号。我们来看向多个函数发送相同数据、但只需要最快函数的结果的示例:

在我的函数中,声明了一个名称为done的通道,包含struct{}类型的数据。我们使用了空结构体类型,因为其值并不重要,我们不会向该通道写入,只是会关闭它。我们为每个传入的搜索函数开启一个协程。worker协程中的select语句会等待对result通道的写入(在searcher函数返回之时)或是对done通道的读取。回顾下读取开启的通道会等待有数据可读并且读取已关闭通知总是会返回通道的零值。这意味着从done读取的分支会在关闭done前保持等待状态。在searchData中,我们读取第一个写入result的值,然后关闭done。这会向协程发送信息让其退出,防止协程泄漏。

有时希望根据调用栈中前面函数中的内容来停止协程。在上下文一章中,我们会学习如何使用上下文来告知一个或多个协程该关闭了。

使用cancel函数来终止协程

我们也可以使用done通道来实现函数一章中所看到的一种模式:与通道一起返回撤销函数。我们回到前面的countTo示例来了解是如何使用的。撤销函数必须在for循环之后调用:

countTo函数创建了两个通道,一个返回数据,另一个发出完成的信息。这里没有直接返回完成通道,而是创建一个关闭完成通道的闭包并返回该闭包。通过闭包来撤销让我们可以在需要时执行一些额外的清理工作。

何时使用缓冲和无缓冲通道

掌握Go并发最复杂的一项技术是决定何时使用缓冲通道。默认,通道是无缓冲的,这很容易理解:一个协程写入并等待另一个协程接收,就像是接力赛中的接力棒一样。缓冲通道就更复杂了。需要选择大小,因为缓冲通道中的缓冲是有限度的。恰当的使用缓冲通道意味着我们必须处理缓冲满了写入协程等待读取的阻塞情况。那怎样算是恰当地使用缓冲通道呢?

缓冲通道的场景很微妙。可以一句话总结如下:

缓冲通道用于的场景是知道要启动多少个协程、希望限定启动的协程的数量或是限定排队处理任务的数量。

缓冲通道可很好处理的任务有从一组所启动的协程中收集数据或是希望限制并发的使用。它们有助于管理系统中排队的任务数量、防止服务来不及处理而崩溃。下面有一些示例可展示其使用场景。

第一个例子中,我们处理通道上的前10条结果。这时我们启动10个协程,每个协程将结果写入到缓冲通道上:

我们确切地知道所启动的协程数量,并且希望每个协程在完成任务后退出。这表示我们可以为每个启动协程创建一个带一个空间的缓冲通道,并让每个协程无阻塞地写入到这个协程。可以遍历这个缓冲通道,读取其中写入的值。读取完所有值后,返回结果,我们知道不会产生协程泄漏。

背压(backpressure)

另一项可通过缓冲通道实现的技术是背压机制。这有些反直觉,但在组件限定了希望执行的工作量后系统的性能会整体变好。我们可以使用缓冲通道和select语句来限定系统中同步请求的数量:

在这段代码中,我们创建了一个带缓冲通道结构体,具有一些“令牌”和一个函数。每次协程希望使用函数时,它会调用Processselect尝试从通道读取令牌。如果可以读取则运行函数,并将令牌返回给缓冲通道。如果无法读取到令牌,则运行default分支,就会返回错误。下面有一个快速示例对内置的HTTP服务器使用这段代码(我们会在标准库一章学习到如何使用HTTP服务器):

关闭select中的分支

在需要从多个并发源中合并数据时,select关键字可完美胜任。但需要适当地处理关闭的通道。如果select中的一个分支在读取关闭的通道,总是会成功,返回的是零值。每次选取一个分支时,需要检测值是有效的并跳过分支。如果读取出现问题,程序会浪费大量时间读取垃圾值。

这时,我们依赖这样的错误:读取一个nil通道。前面学到过,读取或写入nil通道会导致代码永远挂起。虽然在由bug引发时会很糟糕,但我们可以使用nil通道来让select中的case无效。在监测到通道关闭时,将通道变量设置为nil。关联的分支就无法运行,因为从nil通道读取不会返回任何值:

如何让代码超时

大部分交互程序需要在一定时间内返回响应。Go并发可以做的一个任务是管理请求(或请求的一部分)要运行多长时间。其它语言在promise和future之上引入了额外的特性来添加这一功能,但Go的超时语句展示了如何通过已有功能构建复杂的特性。我们来一窥究竟:

在需要对Go中的操作进行限时时,就会看到这一模式的变体。这里的select有两个分支。第一个分支使用了前面学过的完结通道模式。我们使用协程闭包来对resulterr赋值,并关闭done通道。如果done通道先关闭了,对done的读取成功并返回该值。

第二个通道由time包中的After函数返回。在传递完指定的time.Duration之后会写入一个值。(我们会在标准库一章中讲到time包)。在doSomeWork完成前读取到这个值时,timeLimit会返回超时错误。

注:如果在协程完成处理前退出timeLimit,协程会继续运行。我们只是不再对其(最终)返回的结果进行处理。如果希望停止不再等待的协程的任务,可使用上下文撤销。在上下文一章中会进行讨论。

使用WaitGroup

有时一个协程需要等待多个协程先完成任务。如果等待的是单个协程,可以使用之前学习的完结通道模式。但如果等待的是多个协程,就需要使用WaitGroup,它位于标准库的sync包中。下面是一个简单示例,可在The Go Playground中运行:

sync.WaitGroup声明时无需进行初始化,因为其零值也是有用的。sync.WaitGroup有三个方法:Add用于增加所等待的协程数;Done用于减少其计数器,在协程完成时调用;Wait等待协程直到计数器变为0。Add通常只调用一次,传递的是要启动的协程数。Done在协程内调用。要保证即使协程崩溃也会被调用,我们使用了defer

读者会注意到我们没有显式传递sync.WaitGroup。有两个原因。其一是必须保证所有使用sync.WaitGroup的地方都使用的是同一个实例。如传将sync.WaitGroup传递给协程函数而又没使用指针,那么函数得到的就是一个拷贝,Done就不会减少原始sync.WaitGroup的计算器。通过使用闭包来获取sync.WaitGroup,就能保证所有的协程都指向同一个实例。

其二是出于设计原因。还记得我们应将并发保留在API之外吧。在前面的通道里我们看到,通常的模式是使用包含业务逻辑的闭包启动协程。闭包管理并发的问题而函数提供算法。

我们再来看一个更真实的示例。前面提到在多个协程写入同一个通道时,我们需要确保所写入的通道只会关闭一次。sync.WaitGroup就很能胜任这一要求。我们来看并发处理通道中值、将结果收集到切片再返回切片的函数是如何工作的:

在这个例子中,我们启动了监控协程等待所有处理的协程退出。在都退出时,监控协程会对输出通道调用close。在out关闭及缓冲为空时for-range通道循环会退出。最后,函数返回处理所得到值。

虽然WaitGroup很方便,在调配协程时不应将其作为首选。仅在所有工作协程退出后需要进行清理时(比如关闭写入的通道)才使用它。

GOLANG.ORG/X和ERRGROUP

Go作者维护了一些补充标准库的工具。整体称为golang.org/x包,包含有一个ErrGroup类型,构建于WaitGroup之上用于创建一组在其中之一出现问题就停止处理的协程。阅读ErrGroup文档了解更多内容。

代码精确地只运行一次

init函数:能免则免中我们讲到,init应保留用于初始化有效的不可变包级状态。但有时我们希望进行懒加载,或是有些代码要求在程序运行后只初始化一次。这通常是因为初始化相对较慢,甚至是并不是每次运行时都需要。sync包有一个方便的类型Once,实现了这一功能。我们来快速看看如何使用:

我们声明了两个包级变量,parser的类型为Compl⁠ica⁠tedParseronce的类型为sync.Once。类似sync.WaitGroup,我们不需要配置sync.Once的实例(这称为让零值有价值)。还是类似sync.WaitGroup,我们必须保证不生成sync.Once的拷贝,因为每个拷贝都使用其自身的状态来表明是否已使用。通常不应在函数内声明sync.Once实例,因为每次函数调用会创建新实例,并不会记录之前的调用。

在本例,我们希望确保parser只初始化了一次,因我们在传递给onceDo方法内设置了parser的值。如果Parse调用了多次,once.Do不会反复执行闭包。

组合并发工具

我们回到本章第一节中的示例。有一个函数调用三个web服务。我们向其中两个服务发送数据,然后接收这两个调用的结果发送给第三个服务,返回结果 。整个过程要小于50毫秒,否则返回错误。

先从调用的函数开始:

首先我们设置了50毫秒超时的上下文。在没上下文时,使用其计时器而不是调用time.After。使用上下文计时器的一个好处是它让我们可以考虑调用该函数的函数所设定的超时。我们会在上下文一章讨论上下文,并在其中的计时器一节详细讲解超时的使用。现在读者只需要知道超时后会取消上下文。上下文的Done会返回上下文撤销时返回值的通道,取消可以是超时或显式调用上下文的取消方法。

在创建上下文之后,我们使用defer来确保会调用上下文的cancel函数。在上下文一章中撤销一节中会讲到,必须调用这一函数,否则会出现资源泄漏。

然后会通过一系列用于与协程通讯的通道来填充processor实例。每个通道都有缓冲,因此执行写入的协程可以完成写入不等待读取就退出。(errs通道缓冲大小为2,因为写入时可能会产生两个错误。)

processor结构如下:

接着,我们对processor调用launch方法来开启三个协程:一个用于调用getResultA,一个调用getResultB,还有一个调用getResultC

getResultAgetResultB的协程差不多。它们分别调用各自的方法。如果返回了错误,将错误写入p.errs通道。如果返回了有效值,将值写入通道中(getResultA的结果写入p.outAgetResultB的结果写入p.outB)。

因为只有在getResultAgetResultB成功并且在50毫秒内完成才调用getResultC,第三个协程稍显复杂。它包含带两个分支的select。第一个在上下文撤销时触发。第二个在调用getResultC的数据存在时触发。如果数据存在,函数进行了调用,这个逻辑与前两个协程的逻辑类似。

在协程启动后,我们调用processorwaitForAB方法:

这使用for-select循环来对CIn实例同时也是的getResultC参数inputC赋值。共4个分支。前两个读取前两个协程所写入的通道并对inputC的字段赋值。如果这两个分支都执行了,我们会退出for-select循环并返回inputC的值,和nil错误。

后两个分支处理错误条件。如果p.errs通道中写入了错误,就返回该错误。如果上下文被撤销了,我们返回表示请求被撤销的错误。

回到GatherAndProcess,我们执行了一个标准的nil错误检测。如果正常,将inputC的值写入p.inC通道,然后调用processorwaitForC方法:

这个方法包含一个select。如果getResultC成功完成,我们从p.outC通道读取输出并返回。如果getResultC返回错误,我们从p.errs读取错误并返回。最后,如果上下文被撤销了,我们返回一个相应的错误。在waitForC完成后,GatherAndProcess将结果返回给其调用者。

如果确定getResultC的作者会做正确的事,代码可进行简化。因为上下文传递给了getResultC,该函数可以考虑超时进行写入,在超时后返回错误。这样,我们可以在GatherAndProcess中直接调用getResultC。这就可以去掉processor中的inCoutClaunch中的一个协程以及整个waitForC方法。总的原则是在程序正确的情况下使用尽量少的并发。

通过使用协程、通道和select语句架构代码,我们分成了不同的步骤,允许各部分以任意顺序运行和完成,并且在各部分间清晰地交的数据。此外我们还保障了程序的任意部分不会挂起,并且恰当地处理了函数本身及调用历史中其它函数的超时。如果不相信这是实现并发更好的方法,请尝试使用其它语言进行实现。可能会惊讶于其实现难度。

何时用互斥锁替换通道

如在其它编程语言中调配跨线程数据访问,可能会使用互斥锁(mutex-mutual exclusion的缩写)。互斥锁的任务是限制一些代码的并发执行或是访问同一块数据。所保护的部分称为关键段(critical section)。

Go作者们设计通道和select来管理并发有很多很好的原因。互斥锁的主要问题是它模糊了程序内的数据流。数据通过一系列通道从一个协程传入另一个协程时,数据流是清晰的。对值的访问在一段时间内会本地化某个协程中。在使用互斥锁保护一个值时,无法表明哪个协程当前拥有值的所有权,因为对值的访问由所有并发进程共享。这就很难理解处理顺序。Go社区中有一个描述这一哲学的名言:“通过通信共享内存,而不是通过共享内存来通信”。

话虽如此,有时使用互斥锁会更为清晰,所以Go标准库包含了适用这些场景的互斥锁实现。最常见的情况是协程读取或写入一个共享值,但不对值进行处理。我们以多玩家游戏的内存计分板为例。首先看如何使用通道实现。下面是一个可使用协程启动管理计分板的函数:

该函数声明了一个字典,然后监听通道中读取或修改字典的函数,以及一个确定何时关闭的通道。我们创建类型和将值写入字典的方法:

更新方法非常简洁,只是传递一个将值放入字典的函数。但怎么读取计分板呢?我们需要返回一个值。这意味着使用完结模式等待传入ScoreboardManager的函数完成运行:

虽然代码运行正常,但这很笨重并且一次只能有一个读取器。更好的方法是使用互斥锁。标准库中有两个互斥锁实现,都位于sync包中。第一个名为Mutex,它有两个方法LockUnlock。只要另一个协程处于关键段调用Lock会导致当前协程暂停。在清楚了关键段后,当前协程会获取到锁,关键段中的代码会执行。调用Mutex中的Unlock方法标志着关键段的终结。

第二种互斥锁的实现名为RWMutex,它让我们获取读锁和写锁。关键段中一次只能获取一个writer,但读锁是共享的,关键段中一次可获取多个reader。写锁通过LockUnlock方法来管理,而读锁由RLockRUnlock方法管理。

在获取互斥锁时,必须要确保你会释放锁。在调用LockRLock后使用defer语句来调用Unlock

我们已经看到互斥锁的实现了,请在使用时仔细考虑你的选择。Katherine Cox-Buday杰出的《Go语言并发之道》中有一个决策树,可帮助我们决定该使用通道还是互斥锁:

  • 如果在调配协程或追踪由一系列协程所转化的值,使用通道。
  • 如果共享对结构体中字段的访问,使用互斥体。
  • 如果在使用通道时发现严重性能问题(参见编写测试一章的基准测试),并且无法找到其它方法修复这一问题,将代码修改为使用互斥锁。

因为计分板是结构体中的一个字段,没有对计分板的传输,使用互斥锁在情理之中。这里使用互斥锁很好,因为数据在内存中存储。如果数据存储在外部服务中,比如在HTTP服务器或数据库中,不要使用互斥锁来守卫对系统的访问。

互斥锁要求我们做更多的管理。比如,必须正确地配对加锁和解锁,否则程序可能会死锁。我们示例在同一个方法中获取并释放了锁。另一个问题是Go中互斥锁并不是可重入的(reentrant)。如果一个协程尝试重复获取同一个锁,会出现死锁,等待它自己释放锁。这与Java这类语言不同,它们的锁是可重入的。

不可重入锁让递归调用自己的函数获取锁变得麻烦。必须在递归函数调用前释放锁。总之,在持有锁时注意函数的调用,因为不知道在这些调用中会获取哪些锁。如果函数调用了另一个尝试获取同一把锁的函数,协程就会死锁。

sync.WaitGroupsync.Once一样,不要拷贝互斥锁。如果将它们传入函数或以结构体中的一个字段进行访问,必须通过指针。如果拷贝了互斥锁,其锁无法共享。

警告:不要尝试用多个协程访问同一个变量,除非先获得到了该变量的互斥锁。它可能会导致难以追踪的奇怪错误。参见编写测试一章中的通过竞争检测查找并发问题来学习如何监测这些问题。

SYNC.MAP-这是不你以为的字典

在查看sync包时,会发现一个名为的Map的类型。它提供了Go内置的map的并发安全版本。因其实现中所做的权衡,sync.Map仅适用于特定场景:

  • 在共享字典中键值对只插入一次但读取多次时
  • 在协程共享字典,但不访问彼此的键和值时

此外,因为Go早期没有泛型,sync.Map使用interface{}作为其键和值的类型,编译器无法帮助我们确定所使用的正确的数据类型。

因为有这些限制,在极少数场景中我们需要在多个协程间共享字典,使用由sync.RWMutex保护的内置map

Atomic-你可能用不上

除了互斥锁,Go提供了其它方式可保持跨线程的数据一致性。sync/atomic包提供了对内置到现代CPU中原子变量运算的访问,用于增加、交换、加载、存储或比较交换(CAS)一个能装到单个寄存器中的值。

如果需要压榨出最后一点性能,并且是编写并发代码的专家,你会乐于见到Go包含对原子运算的支持。对于剩下的人,请使用协程和互斥锁管理并发需求。

在哪里深入学习并发

这里我们讲解了一些简单并发模式,但还有很多其它知识。事实上,可以写一整本书来讲解正确实现Go中各种并发模式,所幸Katherine Cox-Buday就写了这样一本书。前面在讨论该决定使用通道还是互斥锁时已经提到了这本书,《Go语言并发之道》,它对于与Go和并发相关的知识都是很好的读物。可以阅读这本书学习更多知识。

小结

本章中,我们讲解了并发并学习了为什么Go的方式比其它的传统并发机制更简单。在讲解过程中,我们还说明了什么时候该使用并发以及一些并发规则和模式。下一章中,我们会快速学习Go的标准库,它全面拥抱现代计算机的“内置电池”价值观。

喜欢 (0)
[]
分享 (0)
发表我的评论
取消评论

表情 贴图 加粗 删除线 居中 斜体 签到

Hi,您需要填写昵称和邮箱!

  • 昵称 (必填)
  • 邮箱 (必填)
  • 网址