Golang中g(shù)oroutine和channel的使用方法

這篇文章為大家分享有關(guān)Golang中g(shù)oroutine和channel的使用方法。文章涵蓋goroutine和channel以及select的使用方法，希望大家通過這篇文章能有所收獲。

1.1并發(fā)與并行

并發(fā)：同一時間段執(zhí)行多個任務(wù)（使用微信和多個朋友聊天）
并行：同一時刻執(zhí)行多個任務(wù)（windows中360在殺毒，同時你也在寫代碼）
Go語言的并發(fā)通過goroutine實現(xiàn)。goroutine類似于線程，屬于用戶態(tài)的線程，我們可以根據(jù)需要創(chuàng)建成千上萬個goroutine并發(fā)工作。
goroutine是由Go語言的運行時(runtime)調(diào)度完成，而線程是由操作系統(tǒng)調(diào)度完成。
Go語言還提供channel在多個goroutine間進行通信。goroutine和channel是Go語言秉承的CSP（Communication Sequential Process）并發(fā)模式的重要實現(xiàn)基礎(chǔ)。

1.2goroutine

在java/Python中，我們實現(xiàn)并發(fā)編程的時候，通常需要自己維護一個線程池，并且需要自己去包裝一個又一個的任務(wù)，同時需要自己去調(diào)度線程執(zhí)行任務(wù)并維護上下文切換，這一切需要耗費很多。
Go語言中的goroutine，類似于線程，但goroutine是由Go的運行時(runtime)調(diào)度和管理的。Go程序能夠只能的將goroutine中的任務(wù)合理的分配到每個CPU。Go語言被稱為現(xiàn)代化語言的原因，就是因為Go在語言層面就已經(jīng)內(nèi)置了調(diào)度和上下文切換的機制。
在Go語言編程中，不需要自己寫進程、線程、協(xié)程，你的技能只有一個，就是goroutine。

1.2.1使用goroutine

Go語言中使用goroutine非常簡單，只需要在調(diào)用函數(shù)前面加上"go"關(guān)鍵字，就可以為一個函數(shù)創(chuàng)建一個goroutine。
一個goroutine必定對應(yīng)一個函數(shù)，可以創(chuàng)建多個goroutine去執(zhí)行相同的函數(shù)。

1.2.2啟動單個goroutine

沒有使用goroutine時，程序是順序運行的。

//

package main

import (
    "fmt"
)

func hello()  {
    fmt.Println("Hello Goroutine!")
}
func main() {
    hello()
    fmt.Println("main goroutine done!")
}

結(jié)果:
Hello Goroutine!
main goroutine done!

Process finished with exit code 0

使用go關(guān)鍵字

Mac系統(tǒng)上實驗
package main

import (
    "fmt"
)

func hello()  {
    fmt.Println("Hello Goroutine!")
}
func main() {
    go hello()
    fmt.Println("main goroutine done!")
}

結(jié)果1：
main goroutine done!

Process finished with exit code 0

結(jié)果2：
main goroutine done!
Hello Goroutine!

Process finished with exit code 0

結(jié)果3：
Hello Goroutine!
main goroutine done!

Process finished with exit code 0

會發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了只打印了main goroutine done的現(xiàn)象，是因為main函數(shù)也是一個goroutine,main函數(shù)執(zhí)行完了，整個程序就結(jié)束了。

1.2.3啟動多個goroutine

Go語言中實現(xiàn)并發(fā)就是這么簡單，可以啟動多個goroutine。
這里使用sync.WaitGroup來實現(xiàn)goroutine的同步。

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)
var wg sync.WaitGroup

func hello(i interface{})  {
    defer wg.Done() //goroutine結(jié)束就登記-1
    fmt.Println("Hello Goroutine! i:",i)
}
func main() {
    for i:=0;i<10;i++{
        wg.Add(1) //啟動一個goroutine就登記+1
        go hello(i)
    }
    wg.Wait()//等待所有等級的goroutine都結(jié)束
}

結(jié)果：
Hello Goroutine! i: 9
Hello Goroutine! i: 7
Hello Goroutine! i: 2
Hello Goroutine! i: 0
Hello Goroutine! i: 3
Hello Goroutine! i: 5
Hello Goroutine! i: 1
Hello Goroutine! i: 6
Hello Goroutine! i: 4
Hello Goroutine! i: 8

Process finished with exit code 0

多次執(zhí)行上面的代碼，會發(fā)現(xiàn)每次打印的數(shù)字順序都不一樣。這是因為10個goroutine是并發(fā)執(zhí)行的，而goroutine的調(diào)度室隨機的。

1.3goroutine與線程

1.3.1可增長的棧

OS線程（操作系統(tǒng)線程）一般都有固定的棧內(nèi)存（通常為2MB）,一個goroutine的棧在其生命周期開始時只有很小的棧（典型情況下2KB），goroutine的棧不是固定的，他可以按需增大和縮小，goroutine的棧大小限制可以達到1GB,雖然很少會用到這么大。

1.3.2goroutine調(diào)度

GPM是Go語言運行時（runtime）層面的實現(xiàn)，是go語言自己實現(xiàn)的一套調(diào)度系統(tǒng)。區(qū)別于操作系統(tǒng)調(diào)度OS線程。

G很好理解，就是個goroutine的，里面除了存放本goroutine信息外 還有與所在P的綁定等信息。
P管理著一組goroutine隊列，P里面會存儲當前goroutine運行的上下文環(huán)境（函數(shù)指針，堆棧地址及地址邊界），P會對自己管理的goroutine隊列做一些調(diào)度（比如把占用CPU時間較長的goroutine暫停、運行后續(xù)的goroutine等等）當自己的隊列消費完了就去全局隊列里取，如果全局隊列里也消費完了會去其他P的隊列里搶任務(wù)。
M（machine）是Go運行時（runtime）對操作系統(tǒng)內(nèi)核線程的虛擬， M與內(nèi)核線程一般是一一映射的關(guān)系， 一個groutine最終是要放到M上執(zhí)行的；
P與M一般也是一一對應(yīng)的。他們關(guān)系是： P管理著一組G掛載在M上運行。當一個G長久阻塞在一個M上時，runtime會新建一個M，阻塞G所在的P會把其他的G 掛載在新建的M上。當舊的G阻塞完成或者認為其已經(jīng)死掉時 回收舊的M。

P的個數(shù)是通過runtime.GOMAXPROCS設(shè)定（最大256），Go1.5版本之后默認為物理線程數(shù)。 在并發(fā)量大的時候會增加一些P和M，但不會太多，切換太頻繁的話得不償失。

單從線程調(diào)度講，Go語言相比起其他語言的優(yōu)勢在于OS線程是由OS內(nèi)核來調(diào)度的，goroutine則是由Go運行時（runtime）自己的調(diào)度器調(diào)度的，這個調(diào)度器使用一個稱為m:n調(diào)度的技術(shù)（復(fù)用/調(diào)度m個goroutine到n個OS線程）。
其一大特點是goroutine的調(diào)度是在用戶態(tài)下完成的， 不涉及內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)之間的頻繁切換，包括內(nèi)存的分配與釋放，都是在用戶態(tài)維護著一塊大的內(nèi)存池， 不直接調(diào)用系統(tǒng)的malloc函數(shù)（除非內(nèi)存池需要改變），成本比調(diào)度OS線程低很多。 
另一方面充分利用了多核的硬件資源，近似的把若干goroutine均分在物理線程上， 再加上本身goroutine的超輕量，以上種種保證了go調(diào)度方面的性能。

1.3.3GOMAXPROCS

Go運行時的調(diào)度器使用GOMAXPROCS參數(shù)來確定需要使用多少個OS線程來同時執(zhí)行Go代碼。默認值是機器上的CPU核心數(shù)。
例如在一個8個CPU的機器上，調(diào)度器會把Go代碼同時調(diào)度到8個OS線程上（GOMAXPROCS是m:n中的n）
Go語言通過runtime.GOMAXPROCS()函數(shù)設(shè)置當前程序并發(fā)時占用的CPU邏輯核心數(shù)。
我們可以通過將任務(wù)分配到不同的CPU邏輯核心上實現(xiàn)并行的效果，這里舉個例子：

設(shè)置GOMAXPROCS=1,goroutine啟動兩個任務(wù)，此時是一個任務(wù)執(zhí)行完了才能執(zhí)行另一個任務(wù)

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "time"
)
func a() {
    for i := 1; i < 10; i++ {
        fmt.Println("A:", i)
    }
}

func b() {
    for i := 1; i < 10; i++ {
        fmt.Println("B:", i)
    }
}

func main() {
    runtime.GOMAXPROCS(1)
    go a()
    go b()
    time.Sleep(time.Second)
}

結(jié)果：
A: 1
A: 2
A: 3
A: 4
A: 5
A: 6
A: 7
A: 8
A: 9
B: 1
B: 2
B: 3
B: 4
B: 5
B: 6
B: 7
B: 8
B: 9

Process finished with exit code 0

設(shè)置GOMAXPROCS=2,goroutine啟動兩個任務(wù)，兩個任務(wù)同時執(zhí)行，出現(xiàn)兩個任務(wù)交互打印現(xiàn)象，要多試幾次，需要筆記本是多個CPU哦！我在mac上測試成功的。
package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "time"
)
func a() {
    for i := 1; i < 10; i++ {
        fmt.Println("A:", i)
    }
}

func b() {
    for i := 1; i < 10; i++ {
        fmt.Println("B:", i)
    }
}

func main() {
    runtime.GOMAXPROCS(2)
    go a()
    go b()
    time.Sleep(time.Second)
}

結(jié)果：
A: 1
B: 1
B: 2
B: 3
B: 4
B: 5
B: 6
B: 7
B: 8
B: 9
A: 2
A: 3
A: 4
A: 5
A: 6
A: 7
A: 8
A: 9

Process finished with exit code 0

//Go語言中的操作系統(tǒng)線程和goroutine的關(guān)系：
1.一個操作系統(tǒng)線程對應(yīng)用戶態(tài)多個goroutine。
2.go程序可以同時使用多個操作系統(tǒng)線程。
3.goroutine和OS線程是多對多的關(guān)系，即m:n。

1.4channel

單純地將函數(shù)并發(fā)執(zhí)行是沒有意義的。函數(shù)與函數(shù)間需要交換數(shù)據(jù)才能體現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行函數(shù)的意義。

雖然可以使用共享內(nèi)存進行數(shù)據(jù)交換，但是共享內(nèi)存在不同的goroutine中容易發(fā)生競態(tài)問題。為了保證數(shù)據(jù)交換的正確性，必須使用互斥量對內(nèi)存進行加鎖，這種做法勢必造成性能問題。

Go語言的并發(fā)模型是CSP（Communicating Sequential Processes），提倡通過通信共享內(nèi)存而不是通過共享內(nèi)存而實現(xiàn)通信。

如果說goroutine是Go程序并發(fā)的執(zhí)行體，channel就是它們之間的連接。channel是可以讓一個goroutine發(fā)送特定值到另一個goroutine的通信機制。

Go 語言中的通道（channel）是一種特殊的類型。通道像一個傳送帶或者隊列，總是遵循先入先出（First In First Out）的規(guī)則，保證收發(fā)數(shù)據(jù)的順序。每一個通道都是一個具體類型的導管，也就是聲明channel的時候需要為其指定元素類型。

1.4.1channel類型

channel是一種類型，一種引用類型。生命通道類型的格式如下：
var 變量 chan 元素類型

package main

import (
    "fmt"
)

func main() {
    var ch2 chan int   // 聲明一個傳遞整型的通道
    var ch3 chan bool  // 聲明一個傳遞布爾型的通道
    var ch4 chan []int // 聲明一個傳遞int切片的通道

    fmt.Printf("v:%v type:%T\n",ch2,ch2)
    fmt.Printf("v:%v type:%T\n",ch3,ch3)
    fmt.Printf("v:%v type:%T\n",ch4,ch4)
}

結(jié)果：
v:<nil> type:chan int
v:<nil> type:chan bool
v:<nil> type:chan []int

Process finished with exit code 0

1.4.2創(chuàng)建channel

通道是引用類型，通道類型的空值是nil。
var ch chan int
fmt.Println(ch) // <nil>

聲明的通道后需要使用make函數(shù)初始化后才能使用。
創(chuàng)建channel的格式如下：
make(chan 元素類型, [緩沖大小])
channel的緩沖大小是可選的。

package main

import (
    "fmt"
)

func main() {
    ch5 := make(chan int)
    ch6 := make(chan bool)
    ch7 := make(chan []int)

    fmt.Printf("v:%v type:%T\n",ch5,ch5)
    fmt.Printf("v:%v type:%T\n",ch6,ch6)
    fmt.Printf("v:%v type:%T\n",ch7,ch7)
}

結(jié)果：
v:0xc000012060 type:chan int
v:0xc0000120c0 type:chan bool
v:0xc000012120 type:chan []int

Process finished with exit code 0

1.4.3channel操作

通道有發(fā)送（send）、接收（receive）和關(guān)閉（close）三種操作。
發(fā)送和接收都使用<-
定義通道：ch := make(chan int)

發(fā)送：將一個值發(fā)送到通道中。
           ch <- 10 //把10發(fā)送到通道中
接收：從一個通道中接收值。
           a := <- ch //從ch中接收值，并賦值給a
                  <- ch        //從ch中接收值，忽略結(jié)果
關(guān)閉：關(guān)閉通道。
           close(ch)
                     注意：
                         1.只有在通知接收方goroutine所有的數(shù)據(jù)都發(fā)送完畢的時候，才需要關(guān)閉通道。
                         2.通道是可以被垃圾回收機制回收的，與關(guān)閉文件不一樣，文件操作結(jié)束后文件是必須關(guān)閉的，但通道不是必須關(guān)閉的。
                     關(guān)閉后的通道有以下特點：
                         1.對一個關(guān)閉的通道再發(fā)送值會導致panic。
                         2.對一個關(guān)閉的通道進行接收值，會一直獲取值直到通道為空。
                         3.對一個關(guān)閉的并且沒有值得通道執(zhí)行接收操作，會得到對應(yīng)類型的零值。
                         4.關(guān)閉一個已經(jīng)關(guān)閉的通道會導致panic。

1.4.4無緩沖的通道

無緩沖通道稱為阻塞通道。無緩沖通道必須在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時有人接收值，否則會阻塞在那里，直到報錯。

//無緩沖通道，只發(fā)送值不接收值的時候會出現(xiàn)deadlock錯誤。

package main

import "fmt"

func main() {
    ch := make(chan int)
    ch <- 10
    fmt.Printf("發(fā)送成功！")
}

結(jié)果：
fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

goroutine 1 [chan send]:
main.main()
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:7 +0x54

Process finished with exit code 2

因為我們使用ch := make(chan int)創(chuàng)建的是無緩沖通道，無緩沖通道只有在有人接收值的時候才能發(fā)送值。
上買呢代碼會阻塞在ch <- 10，這一行代碼會形成死鎖。

解決方法：使用goroutine去接收值
package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)
var wg sync.WaitGroup
func recv(ch chan int)  {
    defer wg.Done()
    i := <- ch
    fmt.Println("接收的值是：",i)
}
func main() {
    ch := make(chan int)
    wg.Add(1)
    go recv(ch)

    ch <- 10
    wg.Wait()

    fmt.Printf("發(fā)送成功！\n")
}

結(jié)果：
接收的值是： 10
發(fā)送成功！

Process finished with exit code 0

無緩沖通道上的發(fā)送操作會阻塞，直到另一個goroutine在該通道上執(zhí)行接收操作，這時才能發(fā)送成功，兩個goroutine將繼續(xù)執(zhí)行。
如果接收操作限制性，接收方的goroutine將會阻塞，直到另一個goroutine在該通道上發(fā)送一個值。

//使用無緩沖通道進行通信，將會導致發(fā)送和接收的goroutine同步化。因此，無緩沖通道也被稱為同步通道。

1.4.5有緩沖的通道

解決上面問題的方法還有一種就是使用有緩沖的通道。我們可以在使用make函數(shù)初始化通道的時候為其制定通道的容量，只要通道的容量大于零，就是有緩沖的通道，通道的容量表示通道中能存放的元素的數(shù)量。
可以使用len()獲取通道內(nèi)元素的數(shù)量，使用cap函數(shù)獲取通道的容量。

package main

import (
    "fmt"
)

func main() {
    ch := make(chan int,1) //創(chuàng)建一個容量為1的有緩沖區(qū)通道

    ch <- 10

    fmt.Printf("發(fā)送成功！\n")
    fmt.Println("len(ch):",len(ch))
    fmt.Println("cap(ch)",cap(ch))
}

結(jié)果：
發(fā)送成功！
len(ch): 1
cap(ch) 1

Process finished with exit code 0

1.4.6for range從通道循環(huán)取值

當向通道中發(fā)送完數(shù)據(jù)時，我們可以通過close函數(shù)關(guān)閉通道。
當通道被關(guān)閉時，再往該通道發(fā)送值會引發(fā)panic，從該通道里接收值一直都是類型0值。那么如何判斷一個通道是否被關(guān)閉了呢？
方法一：
    i, ok := <-ch2 // 通道關(guān)閉后再取值ok=false
方法二：
    for range遍歷通道，通道被關(guān)閉時就會退出for range。

package main

import "fmt"

func main() {
    ch2 := make(chan int)
    ch3 := make(chan int)
    //開啟goroutine將0-100的數(shù)發(fā)送到ch2中
    go func() {
        for i:=0;i<101;i++{
            ch2 <- i
        }
        close(ch2)
    }()

    //開啟goroutine從ch2中接收值，并將該值的平方發(fā)送到ch3中
    go func() {
        for{
            i,ok := <- ch2 //通道關(guān)閉后再取值ok=false
            if !ok{
                break
            }
            ch3 <- i*i
        }
        close(ch3)
    }()

    //在主goroutine中從ch3中接收值打印
    for i:= range ch3{//通道關(guān)閉后退出for range循環(huán)
        fmt.Println(i)

    }
}

結(jié)果：
0
1
4
9
16
25
...
9604
9801
10000

Process finished with exit code 0

1.4.7單向通道

有的時候我們會將通道作為參數(shù)在多個任務(wù)函數(shù)間傳遞，很多時候我們在不同的任務(wù)函數(shù)中使用通道都會對其進行限制，比如限制通道在函數(shù)中只能發(fā)送或只能接收。
chan <- int是一個只寫單向通道（只能對其寫入int類型值），可以對其進行發(fā)送操作但不能執(zhí)行接收操作；
<- chan int是一個只讀單向通道（只能從通道讀取int類型值），可以對其執(zhí)行接收操作但不能執(zhí)行發(fā)送操作。
在函數(shù)傳參及任何賦值操作中，可以將雙向通道轉(zhuǎn)換為單向通道，但反過來是不可以的。

package main

import "fmt"

func counter(out chan <- int)  {
    for i:=0;i<101;i++{
        out <- i
    }
    close(out)
}
func squarer(out chan <- int,in <- chan int)  {
    for i:= range in{
        out <- i*i
    }
    close(out)
}
func printer(in <- chan int)  {
    for i:= range in{
        fmt.Println(i)
    }
}
func main() {
    ch2 := make(chan int)
    ch3 := make(chan int)
    go counter(ch2)
    go squarer(ch3, ch2)
    printer(ch3)
}

結(jié)果：
0
1
4
9
16
25
...
9604
9801
10000

Process finished with exit code 0

1.4.8通道總結(jié)

1.5worker pool(go routine池)

在工作中，我們通常會使用可以指定啟動的goroutine數(shù)量-worker pool 模式，控制go routine的數(shù)量，防止go routine泄露和暴漲。
一個簡單的work pool 示例代碼如下：

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func worker(id int,jobs <- chan int,results chan <- int )  {
    for j:= range jobs{
        fmt.Printf("worker:%d start job:%d\n", id, j)
        time.Sleep(time.Second)
        fmt.Printf("worker:%d end job:%d\n", id, j)
        results <- j * 2
    }
}
func main() {
    jobs := make(chan int,100)
    results := make(chan int,100)

    //開啟3個goroutine
    for w:=1;w<=3;w++{
        go worker(w,jobs,results)
    }
    //5個任務(wù)
    for j:=1;j<=5;j++{
        jobs <- j
    }
    close(jobs)
    // 輸出結(jié)果
    for a := 1; a <= 5; a++ {
        <-results
    }
}

結(jié)果：
worker:1 start job:2
worker:3 start job:1
worker:2 start job:3
worker:1 end job:2
worker:3 end job:1
worker:3 start job:4
worker:2 end job:3
worker:1 start job:5
worker:1 end job:5
worker:3 end job:4

Process finished with exit code 0

1.6select多路復(fù)用

在某些場景下，我們需要同時從多個通道接收數(shù)據(jù)。通道在接收數(shù)據(jù)時，如果沒有數(shù)據(jù)可以接收將會發(fā)生阻塞。

//可以使用遍歷方式，實現(xiàn)同時從多個通道中獲取數(shù)據(jù)
package main

import (
    "fmt"
)

var ch2 chan int
var ch3 chan int

func main() {
    ch2 = make(chan int, 100)
    ch3 = make(chan int, 100)

    go func() {
        ch2 <- 10
        close(ch2)
    }()
    go func() {
        ch3 <- 11
        close(ch3)
    }()

    for{
        //從ch2接收值
        c1,ok := <- ch2
        if !ok{
            fmt.Println("ch2數(shù)據(jù)取完了")

        }
        if c1!=0{
            fmt.Println(c1)
        }

        //從ch3接收值
        c2,ok := <- ch3
        if !ok{
            fmt.Println("ch3數(shù)據(jù)取完了")
            break
        }
        fmt.Println(c2)
    }
    fmt.Println("操作完成！")
}

結(jié)果：
10
11
ch2數(shù)據(jù)取完了
ch3數(shù)據(jù)取完了
操作完成！

Process finished with exit code 0

//可以使用goroutine實現(xiàn)同時從多個通道中接收數(shù)據(jù)
package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)
var wg sync.WaitGroup
var ch2 chan int
var ch3 chan int

func getFromCh2()  {
    defer wg.Done()
    c1 := <- ch2
    fmt.Println(c1)
}
func getFromCh3()  {
    defer wg.Done()
    c2 := <- ch3
    fmt.Println(c2)
}
func main() {
    ch2 = make(chan int, 100)
    ch3 = make(chan int, 100)
    wg.Add(2)
    go getFromCh2()
    go getFromCh3()
    go func() {
        ch2 <- 10
    }()
    go func() {
        ch3 <- 11
    }()

    wg.Wait()
    fmt.Println("操作完成！")
}

結(jié)果：
11
10
操作完成！

Process finished with exit code 0

使用select關(guān)鍵字實現(xiàn)多個通道接收值的需求。
select的使用類似于switch語句，他有一系列case分支和一個默認分支。每個case會對應(yīng)一個通道的通信（接收或發(fā)送）過程。select會一直等待，直到某個case的通信操作完成時，就會執(zhí)行case對應(yīng)的語句。
格式如下：
select{
    case <-ch2:
        ...
    case data := <-ch3:
        ...
    case ch4<-data:
        ...
    default:
        默認操作
}

select語句能提高代碼的可讀性。
1.可處理一個或多個channel的發(fā)送/接收操作。
2.如果多個case同時滿足，select會隨機選擇一個。
3.對于沒有case的select，會一直等待，可用于阻塞main函數(shù)。

package main

import "fmt"

func main() {
    ch2 := make(chan int,1)
    ch3 := make(chan int,1)
    for i:=0;i<10;i++{
        select {
        case x1 := <- ch2:
            fmt.Printf("循環(huán)第%d次，ch2取出%d:\n",i,x1)
        case ch2 <- i:
            fmt.Printf("循環(huán)第%d次，ch2存入：%d\n",i,i)
        case x2 := <- ch3:
            fmt.Printf("循環(huán)第%d次，ch3取出%d:\n",i,x2)
        case ch3 <- i:
            fmt.Printf("循環(huán)第%d次，ch3存入：%d\n",i,i)
        }
    }

}

結(jié)果：
循環(huán)第0次，ch2存入：0
循環(huán)第1次，ch2取出0:
循環(huán)第2次，ch2存入：2
循環(huán)第3次，ch2取出2:
循環(huán)第4次，ch2存入：4
循環(huán)第5次，ch2取出4:
循環(huán)第6次，ch2存入：6
循環(huán)第7次，ch3存入：7
循環(huán)第8次，ch3取出7:
循環(huán)第9次，ch2取出6:

Process finished with exit code 0

//上面的結(jié)果完美的體現(xiàn)出了 多個case同時滿足時，select會隨機選擇一個執(zhí)行。

1.7并發(fā)安全和鎖

有時候在Go代碼中會存在多個goroutine同時操作一個資源（臨界區(qū)），這種情況會發(fā)生竟態(tài)問題（數(shù)據(jù)竟態(tài)）。

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

var wg sync.WaitGroup
var x int64
func add()  {
    for i:=0;i<5000;i++{
        x=x+1
    }
    wg.Done()
}
func main() {
    wg.Add(2)
    go add()
    go add()
    wg.Wait()
    fmt.Println(x)

}

結(jié)果1：
7281

Process finished with exit code 0

結(jié)果2：
10000

Process finished with exit code 0

//上面的代碼中，我們開啟了兩個goroutine去累加變量x的值，這兩個goroutine在訪問和修改x變量的時候就會存在數(shù)據(jù)競爭，導致最后結(jié)果與期待的不符。

1.8互斥鎖

互斥鎖是一種常用的控制共享資源訪問的方法，它能夠保證同時只有一個goroutine可以訪問共享資源。
Go語言中使用sync包的Mutex類型來實現(xiàn)互斥鎖。使用互斥鎖來修復(fù)上面代碼的問題：

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

var wg sync.WaitGroup
var lock sync.Mutex
var x int64
func add()  {
    for i:=0;i<5000;i++{
        lock.Lock()//加鎖
        x=x+1
        lock.Unlock()//解鎖
    }
    wg.Done()
}
func main() {
    wg.Add(2)
    go add()
    go add()
    wg.Wait()
    fmt.Println(x)

}

結(jié)果：
10000

Process finished with exit code 0

使用互斥鎖能夠保證同一時間有且只有一個goroutine進入臨界區(qū)，其他的goroutine則在等待鎖；
當互斥鎖釋放后，等待的goroutine才能獲取鎖進入臨界區(qū)，多個goroutine同時等待一個鎖時，喚醒策略是隨機的。

1.9讀寫互斥鎖

互斥鎖是完全互斥的，但是有很多實際的場景下是讀多寫少的，當我們并發(fā)的去讀取一個資源不涉及資源修改的時候是沒有必要加鎖的。
這種場景下使用讀寫鎖時更好的一種選擇。

讀寫鎖分為兩種：讀鎖和寫鎖。
當一個goroutine獲取讀鎖后，其他的goroutine可以繼續(xù)獲取讀鎖，獲取寫鎖會等待；
當一個goroutine獲取寫鎖后，其他的goroutine獲取讀鎖，寫鎖都會等待。
讀寫鎖適合讀多寫少的場景，如果讀寫操作量差別不大，讀寫鎖的優(yōu)勢就發(fā)揮不出來了。

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

var (
    x      int64
    wg     sync.WaitGroup
    lock   sync.Mutex
    rwlock sync.RWMutex
)

func write() {
    lock.Lock()   // 加互斥鎖
    //rwlock.Lock() // 加寫鎖
    x = x + 1
    time.Sleep(10 * time.Millisecond) // 假設(shè)讀操作耗時10毫秒
    //rwlock.Unlock()                   // 解寫鎖
    lock.Unlock()                     // 解互斥鎖
    wg.Done()
}

func read() {
    lock.Lock()                  // 加互斥鎖
    //rwlock.RLock()               // 加讀鎖
    time.Sleep(time.Millisecond) // 假設(shè)讀操作耗時1毫秒
    //rwlock.RUnlock()             // 解讀鎖
    lock.Unlock()                // 解互斥鎖
    wg.Done()
}

func main() {
    start := time.Now()
    for i := 0; i < 10; i++ {
        wg.Add(1)
        go write()
    }

    for i := 0; i < 1000; i++ {
        wg.Add(1)
        go read()
    }

    wg.Wait()
    end := time.Now()
    fmt.Println(end.Sub(start))
}

互斥鎖的時間：
1.404974744s

Process finished with exit code 0

讀寫互斥鎖的時間：
109.371376ms

Process finished with exit code 0

1.10sync.WaitGroup

在代碼中生硬的使用time.Sleep是不合適的，Go語言中可以使用sync.WaitGoup來實現(xiàn)并發(fā)任務(wù)的同步。
sync.WaitGroup有以下幾個方法：

sync.WaitGroup內(nèi)部維護著一個計數(shù)器，計數(shù)器的值可以增加和減少。
例如
我們啟動了N個并發(fā)任務(wù)時，就使用Add(N)將計數(shù)器值增加N。
每個任務(wù)完成時，調(diào)用Done()，會將計數(shù)器減1。
調(diào)用Wait()來等待并發(fā)任務(wù)執(zhí)行完。
當計數(shù)器值為0時，表示所有并發(fā)任務(wù)已經(jīng)完成。

sync.WaitGroup是一個結(jié)構(gòu)體，傳遞的時候要傳遞指針。

var wg sync.WaitGroup

func hello() {
    defer wg.Done()
    fmt.Println("Hello Goroutine!")
}
func main() {
    wg.Add(1)
    go hello() // 啟動另外一個goroutine去執(zhí)行hello函數(shù)
    fmt.Println("main goroutine done!")
    wg.Wait()
}

1.11sync.Once

在編程的很多場景下我們需要確保某些操作在高并發(fā)的場景下只執(zhí)行一次，例如：只加載一次配置文件、只關(guān)閉一次通道等。
Go語言中的sync包提供了一個針對只執(zhí)行一次場景的解決方案-sync.Once。
sync.Onece只有一個Do方法，
func (o *Once) Do(f func()) {}

如果要執(zhí)行的函數(shù)f需要傳遞參數(shù)，需要搭配閉包來使用。

1.11.1加載配置文件示例

延遲一個開銷很大的初始化操作到真正用到它的時候在執(zhí)行是一個很好地實踐。
因為預(yù)先初始化一個變量（比如在Init函數(shù)中完成初始化）會增加程序的啟動耗時，而且有可能實際執(zhí)行過程中這個變量沒有用上，那么這個初始化操作就不是必須要做的。

看下面的例子：
var icons map[string]image.Image

func loadIcons() {
    icons = map[string]image.Image{
        "left":  loadIcon("left.png"),
        "up":    loadIcon("up.png"),
        "right": loadIcon("right.png"),
        "down":  loadIcon("down.png"),
    }
}

// Icon 被多個goroutine調(diào)用時不是并發(fā)安全的
func Icon(name string) image.Image {
    if icons == nil {
        loadIcons()
    }
    return icons[name]
}

多個goroutine并發(fā)調(diào)用Icon函數(shù)時不是并發(fā)安全的，現(xiàn)代的編譯器和CPU在保證每個goroutine都滿足串行一致的基礎(chǔ)上，自由的重排訪問內(nèi)存的順序。
loadIcons函數(shù)可能被重排為以下結(jié)果：
func loadIcons() {
    icons = make(map[string]image.Image)
    icons["left"] = loadIcon("left.png")
    icons["up"] = loadIcon("up.png")
    icons["right"] = loadIcon("right.png")
    icons["down"] = loadIcon("down.png")
}
在這種情況下就會出現(xiàn)，即使判斷了icons不是nil，也不意味著變量初始化完成了。
考慮到這種情況，我們能想到的辦法一：可以添加互斥鎖；方法二：使用sync.Once。

var icons map[string]image.Image

var loadIconsOnce sync.Once

func loadIcons() {
    icons = map[string]image.Image{
        "left":  loadIcon("left.png"),
        "up":    loadIcon("up.png"),
        "right": loadIcon("right.png"),
        "down":  loadIcon("down.png"),
    }
}

// Icon 是并發(fā)安全的
func Icon(name string) image.Image {
    loadIconsOnce.Do(loadIcons)
    return icons[name]
}

1.11.2并發(fā)安全的單例模式

package singleton

import (
    "sync"
)

type singleton struct {}

var instance *singleton
var once sync.Once

func GetInstance() *singleton {
    once.Do(func() {
        instance = &singleton{}
    })
    return instance
}

sync.Once其實內(nèi)部包含一個互斥鎖和一個布爾值，互斥鎖保證布爾值和數(shù)據(jù)的安全，而布爾值用來記錄初始化是否完成。
這樣設(shè)計就能保證初始化操作的時候是并發(fā)安全的，并且初始化操作也不會被執(zhí)行多次。

1.12sync.Map

Go語言中內(nèi)置的map不是并發(fā)安全的。

package main

import (
    "fmt"
    "strconv"
    "sync"
)

var m = make(map[string]int)

func get(key string)int  {
    return m[key]
}
func set(key string,value int)  {
    m[key] = value
}
func main() {
    wg := sync.WaitGroup{}
    for i:=0;i<20;i++{
        wg.Add(1)
        go func(n int) {
            key := strconv.Itoa(i)
            set(key,i)
            fmt.Printf("k=:%v,v:=%v\n", key, get(key))
            wg.Done()
        }(i)
    }
    wg.Wait()
}

結(jié)果：
fatal error: concurrent map writes

goroutine 6 [running]:

        /usr/local/go/src/runtime/panic.go:617 +0x72 fp=0xc0000326b8 sp=0xc000032688 pc=0x1028282
runtime.mapassign_faststr(0x10aca40, 0xc000060180, 0x10cd3a2, 0x1, 0x0)
        /usr/local/go/src/runtime/map_faststr.go:211 +0x42a fp=0xc000032720 sp=0xc0000326b8 pc=0x101031a
main.set(...)
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:15
main.main.func1(0xc000014080, 0xc000014070, 0x2)
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:23 +0x8e fp=0xc0000327c8 sp=0xc000032720 pc=0x1094fee
runtime.goexit()
        /usr/local/go/src/runtime/asm_amd64.s:1337 +0x1 fp=0xc0000327d0 sp=0xc0000327c8 pc=0x1051451
created by main.main
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21 +0xa2

goroutine 1 [runnable]:
sync.(*WaitGroup).Add(0xc000014070, 0x1)
        /usr/local/go/src/sync/waitgroup.go:53 +0x13c
main.main()
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:20 +0x6e

goroutine 4 [runnable]:
main.get(...)
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:12
main.main.func1(0xc000014080, 0xc000014070, 0x0)
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:24 +0xcc
created by main.main
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21 +0xa2

goroutine 5 [runnable]:
main.main.func1(0xc000014080, 0xc000014070, 0x1)
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21
created by main.main
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21 +0xa2

goroutine 7 [runnable]:
main.main.func1(0xc000014080, 0xc000014070, 0x3)
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21
created by main.main
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21 +0xa2

goroutine 8 [runnable]:
main.main.func1(0xc000014080, 0xc000014070, 0x4)
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21
created by main.main
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21 +0xa2

goroutine 9 [runnable]:
main.main.func1(0xc000014080, 0xc000014070, 0x5)
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21
created by main.main
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21 +0xa2

goroutine 10 [runnable]:
main.main.func1(0xc000014080, 0xc000014070, 0x6)
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21
created by main.main
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21 +0xa2

goroutine 11 [runnable]:
main.main.func1(0xc000014080, 0xc000014070, 0x7)
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21
created by main.main
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21 +0xa2

goroutine 12 [runnable]:
main.main.func1(0xc000014080, 0xc000014070, 0x8)
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21
created by main.main
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21 +0xa2

goroutine 13 [runnable]:
main.main.func1(0xc000014080, 0xc000014070, 0x9)
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21
created by main.main
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21 +0xa2

goroutine 14 [runnable]:
main.main.func1(0xc000014080, 0xc000014070, 0xa)
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21
created by main.main
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21 +0xa2

goroutine 15 [runnable]:
main.main.func1(0xc000014080, 0xc000014070, 0xb)
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21
created by main.main
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21 +0xa2

goroutine 16 [runnable]:
main.main.func1(0xc000014080, 0xc000014070, 0xc)
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21
created by main.main
        /Users/tongchao/Desktop/gopath/src/test/test.go:21 +0xa2

Process finished with exit code 2

Go語言的sync包中提供了一開箱即用的并發(fā)安全的map-sync.Map。
開箱即用表示不用像內(nèi)置的map一樣使用make函數(shù)初始化就能直接使用。
同時sync.Map內(nèi)置了諸如Store、Load、LoadOrStore、Delete、Range等操作方法。

package main

import (
    "fmt"
    "strconv"
    "sync"
)
var m = sync.Map{}

func main() {
    wg := sync.WaitGroup{}
    for i:=0;i<20;i++{
        wg.Add(1)
        go func() {
            key := strconv.Itoa(i)
            m.Store(key,i)
            value,_ := m.Load(key)
            fmt.Printf("k=:%v,v:=%v\n", key, value)
            wg.Done()
        }()
    }
    wg.Wait()
}

結(jié)果：
k=:8,v:=8
k=:20,v:=20
k=:20,v:=20
k=:20,v:=20
k=:8,v:=20
k=:20,v:=20
k=:20,v:=20
k=:20,v:=20
k=:20,v:=20
k=:20,v:=20
k=:20,v:=20
k=:20,v:=20
k=:20,v:=20
k=:8,v:=8
k=:20,v:=20
k=:20,v:=20
k=:20,v:=20
k=:20,v:=20
k=:20,v:=20
k=:20,v:=20

Process finished with exit code 0

1.13原子操作

代碼中的加鎖操作因為涉及內(nèi)核態(tài)的上下文切換會比較耗時、代價比較高。
針對"基本數(shù)據(jù)類型"，我們可以使用原子操作來保證并發(fā)安全，因為原子操作是Go 語言提供的方法，在用戶態(tài)就可以完成，因此性能比加鎖操作更好。
Go語言中原子操作由內(nèi)置的標準庫sync/atomic提供。
atomic包提供了底層的原子級內(nèi)存操作，對于同步算法的實現(xiàn)很有用。這些函數(shù)必須謹慎地保證正確使用。除了某些特殊的底層應(yīng)用，使用通道或者sync包的函數(shù)/類型實現(xiàn)同步更好。

一個示例來比較下互斥鎖和原子操作的性能。

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "sync/atomic"
    "time"
)

type Counter interface {
    Inc()
    Load() int64
}

// 普通版
type CommonCounter struct {
    counter int64
}

func (c CommonCounter) Inc() {
    c.counter++
}

func (c CommonCounter) Load() int64 {
    return c.counter
}

// 互斥鎖版
type MutexCounter struct {
    counter int64
    lock    sync.Mutex
}

func (m *MutexCounter) Inc() {
    m.lock.Lock()
    defer m.lock.Unlock()
    m.counter++
}

func (m *MutexCounter) Load() int64 {
    m.lock.Lock()
    defer m.lock.Unlock()
    return m.counter
}

// 原子操作版
type AtomicCounter struct {
    counter int64
}

func (a *AtomicCounter) Inc() {
    atomic.AddInt64(&a.counter, 1)
}

func (a *AtomicCounter) Load() int64 {
    return atomic.LoadInt64(&a.counter)
}

func test(c Counter) {
    var wg sync.WaitGroup
    start := time.Now()
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        wg.Add(1)
        go func() {
            c.Inc()
            wg.Done()
        }()
    }
    wg.Wait()
    end := time.Now()
    fmt.Println(c.Load(), end.Sub(start))
}

func main() {
    c1 := CommonCounter{} // 非并發(fā)安全
    test(c1)
    c2 := MutexCounter{} // 使用互斥鎖實現(xiàn)并發(fā)安全
    test(&c2)
    c3 := AtomicCounter{} // 并發(fā)安全且比互斥鎖效率更高
    test(&c3)
}

結(jié)果：
0 1.099595ms
1000 907.118μs
1000 456.326μs

Process finished with exit code 0

以上就是Golang中g(shù)oroutine和channel的使用方法介紹，看完之后是否有所收獲呢？如果想了解更多相關(guān)內(nèi)容，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊！