瞅一眼就能学会的GO并发编程使用教程

Golang
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2023-04-02
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标签   Golang进阶
目录
  • GO的并发编程分享
  • 啥是并发编程呢
  • 为啥要有并发编程
  • 并发和并行的区别
  • 协程 goroutine 是啥
  • GO 高并发的原因是啥
  • GOLANG并发编程涉及哪些知识点呢
  • Goroutine的那些事
  • 如何使用 goroutine
  • 启动单个协程
  • 多个协程
  • GO 中的协程
  • goroutine 是如何调度
  • 总结

GO的并发编程分享

之前我们分享了网络编程，今天我们来看看GO的并发编程分享，我们先来看看他是个啥

啥是并发编程呢

指在一台处理器上同时处理多个任务

此处说的同时，可不是同一个时间一起手拉手做同一件事情

并发是在同一实体上的多个事件，而这个事件在同一时间间隔发生的，同一个时间段，有多个任务执行，可是同一个时间点，只有一个任务在执行

为啥要有并发编程

随着互联网的普及，互联网用户人数原来越多，这对系统的性能带来了巨大的挑战。

我们要通过各种方式来高效利用硬件的性能（压榨），从而提高系统的性能进而提升用户体验，提升团队或者企业的竞争力。

并发是为了解决什么问题？目的是啥？

是充分的利用好处理器的每一个核，以达到最高的处理性能，尽可能的运用好每一块砖

可是由于现在我们使用的CPU，内存，IO三者之间速度不尽相同

我们为了提高系统性能，计算机系统会将这三者速度进行平衡，以达到最优的效果，都有如下措施：

  • 操作系统增加了进程、线程，以分时复用 CPU，进而均衡 CPU 与 I/O 设备的速度差异；
  • CPU 增加了缓存，以均衡与内存的速度差异；
  • 编译程序优化指令执行次序，使得缓存能够得到更加合理地利用。

说到进程和线程，他们都是干啥的呢，咱们顺带说一下？

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一个独立单位。

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。

一个进程可以创建和撤销多个线程， 并且同一个进程中的多个线程之间可以并发执行。

讲到并发编程不得不说并发和并行有啥区别？是不是总是有小伙伴弄不清楚他们到底是啥区别，好像一样，又好像不一样

并发和并行的区别

一言蔽之，区别如下：

并发

多线程程序在一个核的 CPU 上运行

并行

多线程程序在多个核的 CPU 上运行

并发就像多个小伙伴跑接力，同一个时间点只会有一个小伙伴在跑，互相有影响

并行就像是多个小伙伴同一个起点一起跑，互不干扰

我们需要记住一点，再强调一波：

并发不是并行

并发主要由切换时间片来实现"同时"运行

并行则是直接利用多核实现多线程的运行，

在 GO 可以设置使用核数，以发挥多核计算机的能力，不过设置核数都是依赖于硬件的

那么，讲到GO的并发编程，就必须上我们的主角，那就是协程

协程 goroutine 是啥

协程是一种程序组件
是由子例程（过程、函数、例程、方法、子程序）的概念泛化而来的
子例程只有一个入口点且只返回一次，而协程允许多个入口点，可以在指定位置挂起和恢复执行。

协程和线程分别有啥特点嘞

协程

独立的栈空间，共享堆空间，调度由用户自己控制

本质上有点类似于用户级线程，这些用户级线程的调度也是自己实现的。

线程

一个线程上可以跑多个协程，协程是轻量级的线程。

GO 高并发的原因是啥

  • goroutine 奉行通过通信来共享内存
  • 每个一个GO的实例有4~5KB的栈内存占用，并且由于 GO 实现机制而大幅减少的创建和销毁开销
  • Golang 在语言层面上就支持协程 goroutine

GOLANG并发编程涉及哪些知识点呢

  • 基本协程的原理，实现方式，虽然说，GO中使用协程很方便，可以我们必须要知其然而值其所以然
  • Goroutine 池
  • runtime 包的使用
  • Channel 通道
  • 定时器
  • 并发且安全的锁
  • 原子操作
  • select 多路复用
  • 等等...

Goroutine的那些事

我们写C/C++的时候，我们必然也是要实现并发编程

我们通常需要自己维护一个线程池，并且需要自己去包装一个又一个的任务，同时需要自己去调度线程执行任务并维护上下文切换

且做线程池的时候，我们需要自己做一个线程管理的角色，灵活动态压缩和扩容

可是能不能有这样一种机制，我们只需要定义多个任务，让系统去帮助我们把这些任务分配到CPU上实现并发执行

GO里面就正好有这样的机制

goroutine 的概念类似于线程

goroutine 是由Go的运行时（runtime）调度和管理的

Go程序会智能地将 goroutine 中的任务合理地分配给每个CPU

Go 在语言层面已经内置了调度和上下文切换的机制

写 GO 比较爽的一个地方是：

在GO里面，你不需要去自己写进程、线程、协程

我们可以使用 goroutine 包

如何使用 goroutine

我们需要让某个任务并发执行的时候，只需要把这个任务包装成一个函数

专门开启一个 goroutine 协程 去执行这个函数就可以了 ， GO一个协程，很方便

一个 goroutine 必定对应一个函数，可以创建多个 goroutine 去执行相同的函数，只是多个协程都是做同一个事情罢了

我们先来使用一下协程，再来抛砖引玉，适当的分享一下

启动单个协程

func Hi() {
    fmt.Println("this is Hi Goroutine!")
}
func main() {
    Hi()
    fmt.Println("main goroutine!")
}

我们一般调用函数是如上这个样子的，效果如下

this is Hi Goroutine!
main goroutine!

其实我们调用协程的话，也与上述类似

我们可以使用 go 后面加上函数名字，来开辟一个协程，专门做函数需要执行的事情

func main() {
    go Hi() // 启动一个goroutine 协程 去执行 Hi 函数
    fmt.Println("main goroutine!")

实际效果我们可以看到，程序只打印了 main goroutine!

main goroutine!

在程序启动的时候，Go 程序就会为 main() 函数创建一个默认的 goroutine 协程

当 main() 函数返回的时候，刚开辟的另外一个 goroutine 协程 就结束了

所有在 main() 函数中启动的 goroutine 协程 会一同结束，老大死了，其余的傀儡也灰飞烟灭了

我们也可以让主协程等等一定子协程，待子协程处理完自己的事情，退出后，主协程再自己退出，这和我们写C/C++的进程 和 线程的时候，类似

简单的，我们可以使用 time.sleep 函数来让主协程阻塞等待

我们也可以使用 上述提到的 使用 select{} 来达到目的

当然也有其他的方式，后续文章会慢慢的分享到

多个协程

那么多个协程又是怎么玩的呢？

我们使用 sync.WaitGroup 来实现goroutine 协程的同步

package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

var myWg sync.WaitGroup

func Hi(i int) {
	// goroutine 协程 结束就 记录 -1
	defer myWg.Done()
	fmt.Println("Hello Goroutine! the ", i)
}
func main() {

	for i := 0; i < 10; i++ {
		// 启动一个goroutine 协程 就记录 +1
		myWg.Add(1)
		go Hi(i)
	}

	// 等待所有记录 的goroutine 协程 都结束
	myWg.Wait() 
}

会有如下输出，每一个协程打印的数字并不是按照顺序来的：

Hello Goroutine! the 9
Hello Goroutine! the 4
Hello Goroutine! the 2
Hello Goroutine! the 3
Hello Goroutine! the 6
Hello Goroutine! the 5
Hello Goroutine! the 7
Hello Goroutine! the 8
Hello Goroutine! the 1
Hello Goroutine! the 0

还是同样的， 如果是主协程先退出，那么子协程还行继续运行吗？

毋庸置疑，主协程退出，子协程也会跟着退出

GO 中的协程

分享如下几个点

GO中的栈是可增长的

一般都有固定的栈内存（通常为2MB），goroutine 的栈不是固定的，goroutine 的栈大小可以扩展到1GB

goroutine 是如何调度

这就不得不提 GPM

GPM是Go语言运行时（runtime）层面实现的，我们先简单了解一下GPM分别代表啥

G

就是个 goroutine ，里面除了存放本 goroutine 信息外 还有与所在P的绑定等信息

P

Processor 管理着一组 goroutine 队列

P 里面会存储当前 goroutine 运行的上下文环境（函数指针，堆栈地址及地址边界）

P 会对自己管理的 goroutine 队列做一些调度（比如把占用CPU时间较长的 goroutine 暂停、运行后续的 goroutine）

当自己的队列消费完了就去全局队列里取，如果全局队列里也消费完了会去其他P的队列里抢任务。

M（machine）

是 Go 运行时（runtime）对操作系统内核线程的虚拟

M 与内核线程一般是一一映射的关系， 一个 groutine 最终是要放到 M上执行

这里的 P 与 M 一般也是一一对应的

P 管理着一组G 挂载在 M 上运行

当一个 G 长久阻塞在一个 M 上时，runtime 会新建一个M，

阻塞 G 所在的 P 会把其他的 G 挂载在新建的M上

这个时候，当旧的 G 阻塞完成或者认为其已经挂了的话，就会回收旧的 M

还有一点

P 的个数是通过 runtime.GOMAXPROCS 设定（最大256），这个数字也依赖于自己的硬件，在并发量大的时候会增加一些 P 和 M ，但不会太多

总结

  • 分享了并发和并行
  • 分享了GO 的并发，协程的简单使用
  • 简单分享了GO可伸缩扩展的栈内存
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