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Go 并发模型

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前言

Go 语言是为并发而生的语言,Go 语言是为数不多的在语言层面实现并发的语言;也正是 Go 语言的并发特性,吸引了全球无数的开发者

并发 (concurrency) 和并行(parallellism)

在了解 Go 的并发原理之前,先了解什么是并发什么是并行;

  • 并发 ( concurrency )

    两个或两个以上的任务在一段时间内被执行。我们不必 care 这些任务在某一个时间点是否是同时执行,可能同时执行,也可能不是,我们只关心在一段时间内,哪怕是很短的时间(一秒或者两秒)是否执行解决了两个或两个以上任务

  • 并行 ( parallellism )

    两个或两个以上的任务在同一时刻被同时执行

并发说的是逻辑上的概念,而并行,强调的是物理运行状态;并发 “包含” 并行;( 详情请见:Rob PikePPT)

CSP 并发模型

Go 实现了两种并发形式。第一种是大家普遍认知的:多线程共享内存。其实就是 Java 或者 C++ 等语言中的多线程开发。另外一种是 Go 语言特有的,也是 Go 语言推荐的:CSP(communicating sequential processes)并发模型

请记住下面这句话:

Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.
“不要以共享内存的方式来通信,相反,要通过通信来共享内存”

普通的线程并发模型,就是像 Java、C++、或者 Python,他们线程间通信都是通过共享内存的方式来进行的。非常典型的方式就是,在访问共享数据(例如数组、Map、或者某个结构体或对象)的时候,通过锁来访问,因此,在很多时候,衍生出一种方便操作的数据结构,叫做 “线程安全的数据结构”

Go 的 CSP 并发模型,是通过goroutinechannel来实现的。

  • goroutine: 是 Go 语言中并发的执行单位,有点抽象,其实就是和传统概念上的线程 类似,但它比线程更为轻量,称之为协程
  • channel: 是 Go 语言中各个并发结构体 (goroutine) 之前的通信机制。 通俗的讲,就是各个goroutine之间通信的” 管道 “,有点类似于 Linux 中的管道

创建一个 goroutine 很简单,只要使用 go 关键字就可以了,如下;

1
go func()

通信机制 channel 也很方便,传数据用 channel <- data ,取数据用 <-channel

在通信过程中,传数据 channel <- data 和取数据 <-channel 必然会成对出现,因为这边传,那边取,两个goroutine之间才会实现通信,而且不管传还是取,必阻塞,直到另外的goroutine传或者取为止

这便是 Golang CSP 并发模型最基本的形式,本问内容不详细阐述并发原理

并发模型的运用

流水线模型

Golang 并发核心思路是关注数据流动。数据流动的过程交给 channel,数据处理的每个环节都交给 goroutine,把这些流程画起来,有始有终形成一条线,那就能构成流水线模型

流水线并不是什么新奇的概念,它能极大的提高生产效率,在当代社会流水线非常普遍,我们用的几乎任何产品(手机、电脑、汽车、水杯),都是从流水线上生产出来的;在 Golang 中,流水线由多个阶段组成,每个阶段之间通过 channel 连接,每个节点可以由多个同时运行的 goroutine 组成

如上图,从最简单的流水线入手,由 3 个阶段组成,分别是 A、B、C;第一个阶段的协程是生产者,它们只生产数据,最后一个阶段的协程是消费者,A 是生成者,C 是消费者,而 B 只是中间过程的处理者;A 和 B 之间是通道aCh,B 和 C 之间是通道bCh,A 生成数据传递给 B,B 生成数据传递给 C

举个例子,设计一个程序:计算一个整数切片中元素的平方值并把它打印出来。非并发的方式是使用 for 遍历整个切片,然后计算平方,打印结果

我们使用流水线模型实现这个简单的功能,从流水线的角度,可以分为 3 个阶段:

  1. 遍历切片,这是生产者。
  2. 计算平方值。
  3. 打印结果,这是消费者。

具体代码,参考 simple.go

  • producer()负责生产数据,它会把数据写入通道,并把它写数据的通道返回
  • square()负责从某个通道读数字,然后计算平方,将结果写入通道,并把它的输出通道返回
  • main()负责启动 producer 和 square,并且还是消费者,读取 suqre 的结果,并打印出来

流水线的特点

  1. 每个阶段把数据通过 channel 传递给下一个阶段
  2. 每个阶段要创建 1 个 goroutine 和 1 个通道,这个 goroutine 向里面写数据,函数要返回这个通道
  3. 有 1 个函数来组织流水线,我们例子中是 main 函数

流水线 FAN 模式

流水线模型进阶,FAN-IN 和 FAN-OUT 模式,FAN 模式可以让我们的流水线模型更好的利用 Golang 并发,提高软件性能

这里还是以生产汽车的流水线为例,汽车生产线上有个阶段是给小汽车装 4 个轮子,可以把这个阶段任务交给 4 个人同时去做,这 4 个人把轮子都装完后,再把汽车移动到生产线下一个阶段;这个过程中,就有任务的分发,和任务结果的收集;其中任务分发是 FAN-OUT,任务收集是 FAN-IN

  • **FAN-OUT 模式:多个 goroutine 从同一个通道读取数据,直到该通道关闭;**OUT 是一种张开的模式,所以又被称为扇出,可以用来分发任务
  • **FAN-IN 模式:1 个 goroutine 从多个通道读取数据,直到这些通道关闭;**IN 是一种收敛的模式,所以又被称为扇入,用来收集处理的结果

如下图所示,

依然延用上面的案例需求,计算一个整数切片中元素的平方值并把它打印出来,这次我们修改一下,添加 merge() 方法,具体代码参考 fan.go

  • producer()保持不变,负责生产数据
  • squre()也不变,负责计算平方值
  • 修改main(),启动 3 个 square,这 3 个 squre 从 producer 生成的通道读数据,这是 FAN-OUT
  • 增加merge(),入参是 3 个 square 各自写数据的通道,给这 3 个通道分别启动 1 个协程,把数据写入到自己创建的通道,并返回该通道,这是 FAN-IN
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睡沙发の沙皮狗
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睡沙发の沙皮狗
👨‍💻 Backend Developer/📚 Learner/🚀 Opensource enthusiast

 

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