Golang并发编程——goroutine、channel、sync

并发与并行

并发和并行是有区别的，并发不等于并行。

并发

两个或多个事件在同一时间不同时间间隔发生。对应在Go中，就是指多个 goroutine 在单个CPU上的交替运行。

并行

两个或者多个事件在同一时刻发生。对应在Go中，就是指多个 goroutine 在多个CPU上同时运行。

goroutine 介绍

goroutine 是 Go 中一种轻量级线程。也称为用户态线程。由 Go 的 runtime 进行管理。Go 的程序会智能地将 goroutine 中的任务合理地分配给每个 CPU。

在程序中，我们只要使用 go 关键字，就可以轻易开启一个 goroutine

建议

在使用 goroutine 时，以下两个建议可以有效避免 goroutine 泄露。

1. 调用者清楚 goroutine 什么时候结束
2. 调用者可以控制 goroutine 的生命周期

来看一个泄露的例子

func leak() {
        ch := make(chan int)
	go func() {
		<-ch//leak 函数阻塞在接受 ch 
		fmt.Println("receive a value")
	}()
}
func main() {
	leak(ch)//函数返回,
}

这个channel将无法被关闭，leak 函数里开启的 goroutine 也永远无法返回，当然，这个例子中 leak 函数返回了，main 函数结束，leak 函数里开启的 goroutine 也就返回了。

1.调用者不清楚什么时候结束，也无法控制 goroutine 的生命周期。只能被动等待 channel 接受信号，然后执行函数逻辑，如你所见，造成的后果便是容易产生 goroutine 泄露。

来看下面一个例子

type Worker struct {
	wg sync.WaitGroup
}

func (w *Worker) Do() {
	w.wg.Add(1)

	go func() {
		defer w.wg.Done()
		//do someting
		time.Sleep(800 * time.Millisecond)
		fmt.Println("finish")
	}()

}

func (w *Worker) Shutdown(ctx context.Context) error {
	ch := make(chan struct{})
	go func() {
		w.wg.Wait()
		close(ch)
	}()

	select {
	case <-ch:
		return nil
	case <-ctx.Done():
		// time out
		// close(ch)
		return errors.New("time out")
	}
}

func main() {
	worker := &Worker{
		wg: sync.WaitGroup{},
	}
	ctx, cancel := context.WithDeadline(context.Background(), time.Now().Add(1000*time.Millisecond))
	defer cancel()
	worker.Do()
	if err := worker.Shutdown(ctx); err != nil {
		fmt.Println(err)
	}
}

有一个 worker 对象，这个对象会做一些耗时操作。我们在 Do() 方法中使用 goroutine 来处理具体逻辑，在开启goroutine 之前调用 wg.Add(1), 然后在 goroutine 的 defer 函数中 调用 wg.Done(),在 Shutdown() 方法中使用 wg.Wait() 来等待 Do() 方法执行结束。在 Shutdown() 方法中，如果 goroutine 执行结束了，就会往 ch channel 中发送消息，底下 select {} 中收到 ch channel 消息后，Shutdown 方法就可以正常返回，函数到此执行结束。如果 Do() 方法执行太长超出了 ctx 的最长时间。Shutdown 会返回 "time out" 异常。返回之前可以进行资源的处理。

在这个例子中调用者可以通过控制上下文控制来控制 Worker 对象的生命周期。

sync.Mutex、_s_ync.RWMutex

Go 的 sync 包提供了 mutex、RwMutex,分别是互斥锁与读写锁。

在需要共享内存的地方，如果有多个对象同时对这个地方进行读写操作，就会产生竞态条件。我们需要使用程序语言提供的同步原语对读写操作进行保护。互斥锁就是同一时刻一段代码只能被一个线程/协程运行。Mutex 在大量并发的情况下，会造成锁等待，对性能的影响比较大。在读多写少的场景下可以使用读写锁。读写锁主要遵循以下原则：

1. 读写锁的读锁可以重入，在已经有读锁的情况下，可以继续加读锁。
2. 在读锁没有全部解锁时，写操作会阻塞直到所有读锁解锁。
3. 在写锁没有解锁时，其他协程的读写操作都会被阻塞，直到写锁解锁。

下面是一个互斥锁简单示例。在需要访问共享资源的地方使用 Lock 和 Unlock 方法。表示这部分操作属于“原子操作”。使用时需要注意锁粒度。我们要尽可能的减小锁粒度。锁粒度小了，锁竞争就少。对程序的性能影响就小。

var l sync.Mutex
var a string

func f() {
	a = "hello, world"
	l.Unlock()
}

func main() {
	l.Lock()
	go f()
	l.Lock()
	print(a)
}

sync/atomic

sync/atomic 提供了用于实现同步算法的底层原子内存原语

copy-on-write 思路在微服务降级或者 local cache 经常使用。我们可以使用 atomic 来实现。atmic 依赖于原子 CPU 指令而不是依赖外部锁，性能不俗。

type NumberArray struct {
	array []int
}

func main() {
	var atomic atomic.Value

	go func() {
		var i int
		for {
			i++
			numArray := &NumberArray{
				array: []int{i, i + 1, i + 2, i + 3},
			}
			atomic.Store(numArray)
			time.Sleep(100 * time.Millisecond)
		}
	}()

	time.Sleep(500 * time.Millisecond) //先让数据更新

	var wg sync.WaitGroup
	for n := 0; n < 100000; n++ {
		wg.Add(1)
		time.Sleep(100 * time.Millisecond)
		go func() {
			numArray := atomic.Load()
			fmt.Println(numArray)
			wg.Done()
		}()
	}
	wg.Wait()
}

errgroup

errgroup 为处理公共任务的子任务的 goroutine 组提供同步、错误传播和上下文取消。

https://github.com/go-kratos/kratos/blob/main/app.go

func (a *App) Run() error {
	instance, err := a.buildInstance()
	if err != nil {
		return err
	}
	eg, ctx := errgroup.WithContext(NewContext(a.ctx, a))
	wg := sync.WaitGroup{}
	for _, srv := range a.opts.servers {
		srv := srv
		eg.Go(func() error {
			<-ctx.Done() // wait for stop signal
			stopCtx, cancel := context.WithTimeout(NewContext(a.opts.ctx, a), a.opts.stopTimeout)
			defer cancel()
			return srv.Stop(stopCtx)
		})
		wg.Add(1)
		eg.Go(func() error {
			wg.Done()
			return srv.Start(NewContext(a.opts.ctx, a))
		})
	}
	wg.Wait()
	if a.opts.registrar != nil {
		rctx, rcancel := context.WithTimeout(ctx, a.opts.registrarTimeout)
		defer rcancel()
		if err := a.opts.registrar.Register(rctx, instance); err != nil {
			return err
		}
		a.lk.Lock()
		a.instance = instance
		a.lk.Unlock()
	}
	c := make(chan os.Signal, 1)
	signal.Notify(c, a.opts.sigs...)
	eg.Go(func() error {
		for {
			select {
			case <-ctx.Done():
				return ctx.Err()
			case <-c:
				if err := a.Stop(); err != nil {
					a.opts.logger.Errorf("failed to stop app: %v", err)
					return err
				}
			}
		}
	})
	if err := eg.Wait(); err != nil && !errors.Is(err, context.Canceled) {
		return err
	}
	return nil
}

channels

channel 是 Go 语言中一种类型安全的消息队列，充当两个 goroutine 之间的通道，通过它可以进行任意资源的的交换。同时通过 channel 实现 Go 的同步机制。

无缓冲通道

当创建的 channel 没有缓冲时，称为无缓冲通道。无缓冲管道必须读写同时操作才会有效果，如果只进行读或者只进行写那么会被阻塞，等待另外一方的操作。

缓冲通道

创建的 channel 具有缓冲时，称为缓冲通道。缓冲通道是固定容量的先进先出（FIFO）队列。容量在队列创建的时候就已经固定，运行是无法更改。消费者从队列中取出元素并处理它们。如果队列为空并且消费者无事可做，就会发生阻塞，直到生产者放入一个元素。如果队列已满，并且消费者未开始消费，则会发生阻塞，知道消费者消费一个元素。

不论是无缓冲通道还是缓冲通道，都不能往一个已关闭的 channel 发送消息，否则程序会直接 panic ,因此，最好是由发送端进行关闭 channel。

func main() {
	ch := make(chan int)
	close(ch)
	fmt.Println(<-ch)//0
	//close(ch)  //panic: close of closed channel
	//ch <- 2  //panic: send on closed channel

	chs := make(chan int, 2)
	chs <- 1
	chs <- 3
	close(chs)
	fmt.Println(<-chs)
	fmt.Println(<-chs)
	fmt.Println(<-chs)//0
	// chs <- 2 //panic: send on closed channel
}

关于channel 还可以查看这篇文章 polarisxu：无缓冲和有缓冲通道