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十.Go并发编程–channel使用

开发技术 开发技术 3小时前 2次浏览

一.设计原理

Go 语言中最常见的、也是经常被人提及的设计模式就是:

“不要通过共享内存来通信,我们应该使用通信来共享内存”

通过共享内存来通信是直接读取内存的数据,而通过通信来共享内存,是通过发送消息的方式来进行同步。

而通过发送消息来同步的这种方式常见的就是 Go 采用的通信顺序进程 CSP(Communication Sequential Process) 模型以及 Erlang 采用的 Actor 模型,这两种方式都是通过通信来共享内存。

如下图所示
十.Go并发编程--channel使用

大部分的语言采用的都是第一种方式直接去操作内存,然后通过互斥锁,CAS 等操作来保证并发安全。Go 引入了 Channel 和 Goroutine 实现 CSP 模型来解耦这个操作。

  • 优点:

    • 在 Goroutine 当中我们就不用手动去做资源的锁定与释放,同时将生产者和消费者进行了解耦,Channel 其实和消息队列很相似。
  • 缺点:

    • 由于 Channel 底层也是通过这些低级的同步原语实现的,所以性能上会差一些,如果有极高的性能要求时也可以用 sync 包中提供的低级同步原语

先入先出

目前的 Channel 收发操作均遵循了先进先出的设计,具体规则如下:

  • 先从 Channel 读取数据的 Goroutine 会先接收到数据;
  • 先向 Channel 发送数据的 Goroutine 会得到先发送数据的权利;

无锁管道

锁(Lock) 是一种常见的并发控制技术,我们一般会将锁分成乐观锁悲观锁,即乐观并发控制和悲观并发控制,无锁(lock-free)队列更准确的描述是使用乐观并发控制的队列。乐观并发控制也叫乐观锁,很多人都会误以为乐观锁是与悲观锁差不多,然而它并不是真正的锁,只是一种并发控制的思想.

乐观并发控制本质上是基于验证的协议,我们使用原子指令 CAS(compare-and-swap 或者 compare-and-set)在多线程中同步数据,无锁队列的实现也依赖这一原子指令。

从某种程度上说,Channel 是一个用于同步和通信的有锁队列,使用互斥锁解决程序中可能存在的线程竞争问题

Go 语言社区也在 2014 年提出了无锁 Channel 的实现方案,该方案将 Channel 分成了以下三种类型:

  1. 同步 Channel — 无缓冲区,发送方会直接将数据交给(Handoff)接收方
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  2. 异步channel: 基于环形缓存的传统生产者消费者模型;
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  3. chan struct{} 类型的异步 Channel — struct{} 类型不占用内存空间,不需要实现缓冲区和直接发送(Handoff)的语义;

二.数据结构

Go 语言的 Channel 在运行时使用 runtime.hchan 结构体表示。我们在 Go 语言中创建新的 Channel 时,实际上创建的都是如下所示的结构:

type hchan struct {
	qcount   uint           // 队列中元素总数量
	dataqsiz uint           // 循环队列的长度
	buf      unsafe.Pointer // 指向长度为 dataqsiz 的底层数组,只有在有缓冲时这个才有意义
	elemsize uint16         // 能够发送和接受的元素大小
	closed   uint32         // 是否关闭
	elemtype *_type         // 元素的类型
	sendx    uint           // 当前已发送的元素在队列当中的索引位置
	recvx    uint           // 当前已接收的元素在队列当中的索引位置
	recvq    waitq          // 接收 Goroutine 链表
	sendq    waitq          // 发送 Goroutine 链表

	lock mutex              // 互斥锁
}

// waitq 是一个双向链表,里面保存了 goroutine
type waitq struct {
	first *sudog
	last  *sudog
}

如下图所示,channel 底层其实是一个循环队列
十.Go并发编程--channel使用

三.创建管道

Go 语言中所有 Channel 的创建都会使用 make 关键字。创建的表达式使用 make(chan T, cap) 来创建 channel.

如果不向 make 传递表示缓冲区大小的参数,那么就会设置一个默认值 0,也就是当前的 Channel 不存在缓冲区。

四. 发送数据

当想要向 Channel 发送数据时,就需要使用 ch <- i 语句.

在发送数据的逻辑执行之前会先为当前 Channel 加锁,防止多个线程并发修改数据。

如果 Channel 已经关闭,那么向该 Channel 发送数据时会报 “send on closed channel” 错误并中止程序。

4.1 直接发送

如果 Channel 没有被关闭并且已经有处于读等待的 Goroutine,会取出最先陷入等待的 Goroutine 并直接向它发送数据:

直接发送的过程称为两个部分:

  1. 调用 runtime.sendDirect将发送的数据直接拷贝到 x = <-c 表达式中变量 x 所在的内存地址上;
  2. 调用 runtime.goready 将等待接收数据的 Goroutine 标记成可运行状态 Grunnable 并把该 Goroutine 放到发送方所在的处理器的 runnext 上等待执行,该处理器在下一次调度时会立刻唤醒数据的接收方;

需要注意的是,发送数据的过程只是将接收方的 Goroutine 放到了处理器的 runnext 中,程序没有立刻执行该 Goroutine。

4.2 缓冲区

如果创建的 Channel 包含缓冲区并且 Channel 中的数据没有装满,会使用 runtime.chanbuf 计算出下一个可以存储数据的位置,然后通过 runtime.typedmemmove 将发送的数据拷贝到缓冲区中并增加 sendx 索引和 qcount 计数器。

4.3 阻塞发送

当 Channel 没有接收者能够处理数据时,向 Channel 发送数据会被下游阻塞,当然使用 select 关键字可以向 Channel 非阻塞地发送消息。

4.4 小结

可以简单梳理和总结一下使用 ch <- i 表达式向 Channel 发送数据时遇到的几种情况:

  1. 如果当前 Channel 的 recvq 上存在已经被阻塞的 Goroutine,那么会直接将数据发送给当前 Goroutine 并将其设置成下一个运行的 Goroutine;
  2. 如果 Channel 存在缓冲区并且其中还有空闲的容量,我们会直接将数据存储到缓冲区 sendx 所在的位置上;
  3. 如果不满足上面的两种情况,当前 Goroutine 也会陷入阻塞等待其他的协程从 Channel 接收数据;

五. 接收数据

可以使用两种不同的方式去接收 Channel 中的数据:

i <- ch
i, ok <- ch

5.1 直接接收

会根据缓冲区的大小分别处理不同的情况

  1. 如果 Channel 不存在缓冲区,直接从发送者那里把数据拷贝给接收变量
  2. 如果是有缓冲 channel
    • 将队列中的数据拷贝到接收方的内存地址;
    • 将发送队列头的数据拷贝到缓冲区中,释放一个阻塞的发送方;

5.2 缓冲区

当 Channel 的缓冲区中已经包含数据时,从 Channel 中接收数据会直接从缓冲区中 的索引位置中取出数据进行处理:

5.3 阻塞接收

当 Channel 的发送队列中不存在等待的 Goroutine 并且缓冲区中也不存在任何数据时,从管道中接收数据的操作会变成阻塞的,然而不是所有的接收操作都是阻塞的,与 select 语句结合使用时就可能会使用到非阻塞的接收操作:

六. 关闭channel

使用 close(ch) 来关闭 channel 最后会调用 runtime 中的 closechan 方法.

  1. 关闭一个 nil 的 channel 和已关闭了的 channel 都会导致 panic
  2. 关闭 channel 后会释放所有因为 channel 而阻塞的 Goroutine

七. 使用场景

channel一般用于协程之间的通信,channel也可以用于并发控制。比如主协程启动N个子协程,主协程等待所有子协程退出后再继续后续流程,这种场景下channel也可轻易实现。

7.1 使用channel控制子协程

package main

import (
    "time"
    "fmt"
)

func Process(ch chan int) {
    //Do some work...
    time.Sleep(time.Second)

    ch <- 1 //管道中写入一个元素表示当前协程已结束
}

func main() {
    channels := make([]chan int, 10) //创建一个10个元素的切片,元素类型为channel

    for i:= 0; i < 10; i++ {
        channels[i] = make(chan int) //切片中放入一个channel
        go Process(channels[i])      //启动协程,传一个管道用于通信
    }

    for i, ch := range channels {  //遍历切片,等待子协程结束
        <-ch
        fmt.Println("Routine ", i, " quit!")
    }
}

输出:

Routine  0  quit!
Routine  1  quit!
Routine  2  quit!
Routine  3  quit!
Routine  4  quit!
Routine  5  quit!
Routine  6  quit!
Routine  7  quit!
Routine  8  quit!
Routine  9  quit!

上面程序通过创建N个channel来管理N个协程,每个协程都有一个channel用于跟父协程通信,父协程创建完所有协程后等待所有协程结束。

这个例子中,父协程仅仅是等待子协程结束,其实父协程也可以向管道中写入数据通知子协程结束,这时子协程需要定期地探测管道中是否有消息出现。

7.2 通过关闭 channel 实现一对多的通知

关闭 channel 时会释放所有阻塞的 Goroutine,所以我们就可以利用这个特性来做一对多的通知,除了一对多之外我们还用了 done 做了多对一的通知,当然多对一这种情况还是建议直接使用 WaitGroup 即可

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func run(stop <-chan struct{}, done chan<- struct{}) {

	// 每一秒打印一次
	for {
		select {
		case <-stop:
			fmt.Println("stop...")
			// 接收到停止后,向 done 管道中发送数据,然后退出函数
			done <- struct{}{}
			return
		// 超时1秒将输出hello
		case <-time.After(time.Second):
			fmt.Println("hello...")
		}
	}
}

func main() {
	// 一对多,使用无缓冲通道,当关闭chan后,其他程序中接收到关闭信号后会统一执行操作
	stop := make(chan struct{})

	// 多对一,当关闭后,关闭一个chan, 写入一个数据到管道中
	done := make(chan struct{}, 10)

	for i := 0; i < 10; i++ {
		go run(stop, done)
	}

	// 模拟超时时间
	time.Sleep(5 * time.Second)
	close(stop)

	for i := 0; i < 10; i++ {
		<-done
	}
}

输出:

hello...
hello...
hello...
...
hello..
stop...
stop...
stop...
stop...
stop...
stop...
stop...
stop...
stop...
stop...

7.3 使用 channel 做异步编程

利用无缓冲channel,接收早于发送的特点,只有当数据写入后,接收才能完成实现数据一致性

package main

import (
	"fmt"
)

// 这里只能读
func read(c <-chan int) {
	fmt.Println("read:", <-c)
}

// 这里只能写
func write(c chan<- int) {
	c <- 0
}

func main() {
	c := make(chan int)
	go write(c)
	read(c)
}

7.4 超时控制

超时控制还是建议使用 context

func run(stop <-chan struct{}, done chan<- struct{}) {
	// 每一秒打印一次 hello
	for {
		select {
		case <-stop:
			fmt.Println("stop...")
			done <- struct{}{}
			return
		case <-time.After(time.Second):
			fmt.Println("hello")
		}
	}
}

7.5 协程池

根据控制Channel的缓存大小来控制并发执行的Goroutine的最大数目

var limit = make(chan int, 3)

func main() {
    for _, w := range work {
        go func() {
            limit <- 1
            w()
            <-limit
        }()
    }
    select{}
}

最后一句select{}是一个空的管道选择语句,该语句会导致main线程阻塞,从而避免程序过早退出。还有for{}<-make(chan int)等诸多方法可以达到类似的效果。因为main线程被阻塞了,如果需要程序正常退出的话可以通过调用os.Exit(0)实现。

八. 参考

  1. https://draveness.me/golang/docs/part3-runtime/ch06-concurrency/golang-channel/
  2. https://www.topgoer.cn/docs/gozhuanjia/chapter055.1-channel
  3. https://lailin.xyz/post/go-training-week3-channel.html
  4. https://chai2010.cn/advanced-go-programming-book/ch1-basic/ch1-05-mem.html

程序员灯塔
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