【Go语言从入门到实战】并发篇

Go语言从入门到实战 — 并发篇

协程

Thread vs Groutine

相比之下，协程的栈大小就小很多了，创建起来也会更快，也更节省系统资源。

一个 goroutine 的栈，和操作系统线程一样，会保存其活跃或挂起的函数调用的本地变量，但是和OS线程不太一样的是，一个 goroutine 的栈大小并不是固定的；栈的大小会根据需要动态地伸缩，初始化大小为 2KB。而 goroutine 的栈的最大值有1GB，比传统的固定大小的线程栈要大得多，尽管一般情况下，大多 goroutine 都不需要这么大的栈。

那么这种多对多的对应关系对我们程序有什么意义呢？

如果是1:1，那么我们的线程（Thread）是由我们的内核实体直接进行调度，这种方式，它的调度效率非常高，但是这里有一个问题，如果线程之间发生上下文切换时，会牵扯到内核对象的相互切换，这将是一个消耗非常大的事。

相对来说如果是多个协程由同一个内核实体来调度，那么协程之间的切换不涉及内核对象间的切换，在内部就能完成，它们之间的切换就会小非常多了，Go 也就是主打这个方面。

Go中的调度机制

Go 的协程处理器P（Processor）是挂在系统线程M（System thread）下面的，协程处理器P下面又挂有准备运行的协程队列（Goroutine）， 每个协程队列中每次有一个协程G是是正在运行中的。

如果正在运行的协程执行时间特别长，会不会堵塞住协程队列呢？

Go 的处理机制是这样的，Go 在运行协程时，会启动一个守护线程去计数，计每个 Processor 完成的协程数量，当它发现一段时间后某个 Processor 完成的协程数量没有任何变化后，它就会往协程的任务栈里面插入一个特殊的标记，当协程运行遇到非内联函数时就会读到这个标记，就会把自己中断下来，插入到协程队列的队尾，然后切换到下一个协程继续运行。

另一个并发机制是这样的，当某个协程被系统中断了，例如 I/O 需要等待的时候，为了提高整体的并发，Processor 会把自己移动到另一个可使用的系统线程当中，继续执行它所挂的协程队列里面其它的协程。当上次中断的协程又被重新唤醒后，它会把自己加入其中一个 Processor 的等待队列，或者全局等待队列中。协程中断期间，它在寄存器中的运行状态，会保存在协程对象里，当协程再次有运行机会的时候，这些数据又会重新写入寄存器，然后继续运行。

大致我们可以知道这种协程机制与系统线程是多对多的关系，以及它是如何高效的利用系统线程，尽量多的运行并发的协程任务。

第一种：channel 阻塞或网络 I/O 情况下的调度

如果 G 被阻塞在某个 channel 操作或网络 I/O 操作上时，G 会被放置到某个等待（wait）队列中，而 M 会尝试运行 P 的下一个可运行的 G。如果这个时候 P 没有可运行的 G 供 M 运行，那么 M 将解绑 P，M 进入挂起状态。当 I/O 操作完成或 channel 操作完成，在等待队列中的 G 会被唤醒，标记为可运行（runnable），并被放入到某 P 的队列中，绑定一个 M 后继续执行。

第二种：系统调用阻塞情况下的调度

如果 G 被阻塞在某个系统调用（system call）上，那么不光 G 会阻塞，执行这个 G 的 M 也会解绑 P，M 与 G 一起进入挂起状态。如果此时有空闲的 M，那么 P 就会和它绑定，并继续执行其他 G；如果没有空闲的 M，但仍然有其他 G 要去执行，那么 Go 运行时就会创建一个新 M（线程）。

当系统调用返回后，阻塞在这个系统调用上的 G 会尝试获取一个可用的 P，如果没有可用的 P，那么 G 会被标记为 runnable（如果一直没有可用的 P，经过一定轮次后 G 会被放入到全局的 P 中），之前的那个挂起的 M 将再次进入挂起状态（M 经过一段时间后会进入空闲列表，重新获取可用的 P）。

详细分析可参考该文：Go 协程（goroutine）调度原理

Go协程的使用

Go协程的使用很简单，只需要在方法前面加一个 go 关键字即可。

// Go 协程的使用
func TestGoroutine(t *testing.T) {
    
    
	for i := 0; i < 5; i++ {
    
    
		// 加到匿名函数前
		go func(i int) {
    
    
			fmt.Println(i)
		}(i)
	}
	time.Sleep(time.Millisecond * 50) // 让上面的程序先全部执行完
}

运行结果跟java创建多线程类似，协程被调用的顺序并不是按照方法的顺序来调度的。

共享内存并发机制

Lock

非线程安全

func TestCounter(t *testing.T) {
    
    
	counter := 0
	for i := 0; i < 5000; i++ {
    
    
		go func() {
    
    
			counter++ // 创建5000个协程，对counter自增了5000次 预期值为5000
		}()
	}
	time.Sleep(1 * time.Second) // 使上面的程序先执行完
	t.Logf("counter = %d", counter)
}

并没有达到我们5000的预期，这是因为我们使用的counter在不同的协程之间竞争，导致出现了并发竞争，也就是非线程安全的程序，出现了无效的写操作，如果我们要保证它的线程安全，就需要对这块共享内存加锁。

线程安全 sync.Mutex

func TestCounterSafe(t *testing.T) {
    
    
	var mut sync.Mutex
	counter := 0
	for i := 0; i < 5000; i++ {
    
    
		go func() {
    
    
            // 锁的释放我们一般要写在defer中，类似java的finally。
			defer func() {
    
    
				mut.Unlock() // 在这个协程执行完的最后释放锁
			}()
			mut.Lock() // 加锁
			counter++
		}()
	}
	time.Sleep(1 * time.Second) // 使上面的程序先执行完
	t.Logf("counter = %d", counter)
}

达到了我们5000的预期。

WaitGroup

同步各个线程的方法，相当于java中的 join、CountDownLatch。

只有我 wait 的所有内容都完成后，程序才可以继续向下执行。

func TestCounterWaitGroup(t *testing.T) {
    
    
	var mut sync.Mutex
	var wg sync.WaitGroup
	counter := 0
	for i := 0; i < 5000; i++ {
    
    
		wg.Add(1) // 每启动1个协程，WaitGroup的数量就+1
		go func() {
    
    
			// 锁的释放我们一般要写在defer中，类似java的finally。
			defer func() {
    
    
				mut.Unlock() // 在这个协程执行完的最后释放锁
			}()
			mut.Lock() // 加锁
			counter++
			wg.Done() // 每执行完1个协程，WaitGroup的数量就-1
		}()
	}
	wg.Wait() // 如果WaitGroup中的数量不为0则一直等待
	t.Logf("counter = %d", counter)
}

那么 WaitGroup 为什么更好呢，可以看一下最后的执行时间，如果采用 time.Sleep()，因为我们并不知道5000个协程要执行多久，这个时间不好把控，我们为了得到正确的结果，人为预估了 1 秒，但是实际上只需要 0.00 秒就能执行完毕，故用 WaitGroup 即能防止错误的预估协程的执行时间，又能保证线程安全，是上上之选。

RWLock读写锁

它把读锁和写锁进行了分离，读不互质，写互斥，比 Mutex 完全互斥的效率高一些，更建议使用读写锁。

CSP并发机制

CSP（Communicating Sequential Processes）通信顺序进程，是一种消息传递模型，通过通道 channel 在 Goroutine 之间传递数据来传递消息，而不是对数据加锁来实现对数据的同步访问。

CSP VS Actor

Actor Model

• Actor 的机制是直接进行通讯，CSP 模式则是通过 channel 进行通讯的，更松耦合一些。
• Actor、Erlang 是通过 mailbox 来进行消息存储的，mailbox 的容量是无限的，Go 的 channel 是有容量限制的。
• Actor、Erlang 的接收进程总是被动地处理消息，Go 的协程会主动去处理从 channel 里面传过来的消息。

Channel

典型消息传输机制

进行通讯的发送方和接收方必须同时在 channel 上才能完成这次交互，任何一方不在都会导致另一方阻塞等待。

buffer channel机制

这种机制下，消息的发送方和接收方是更加松耦合的一种机制，我们可以给 channel 设定一个容量，只要在这个容量还没有满的情况下，放消息的人都是可以把消息放进去的，如果容量满了，则需要阻塞等待了，等到收消息的人拿走一个消息，放消息的人才能继续往里面放。同理，对收消息的人来说呢，只要这个 channel 里面有消息，就可以一直拿到，直到 channel 里面一个消息都没有了，就会阻塞等待，直到有新的消息进来。

异步返回

当我们调用一个任务，并不需要马上拿到它的返回结果，可以先去执行其它的逻辑，直到我们需要这个结果的时候，在去 get 这个结果。这将大大减少程序的整体运行时间，提升程序的效率。如果我们 get 这个任务的结果时，任务的结果还没有出来，就会堵塞在那里，直到拿到结果为止。

Java代码

同步（串行执行）

func service() string {
    
    
	time.Sleep(time.Millisecond * 50)
	return "service执行完成"
}

func otherTask() {
    
    
	fmt.Println("otherTask的各种执行逻辑代码")
	time.Sleep(time.Millisecond * 100)
	fmt.Println("otherTask执行完成")
}

// 测试同步执行效果, 先调用 service() 方法，在调用 otherTask() 方法，
// 理论上最后程序的执行时间为二者相加。
func TestService(t *testing.T) {
    
    
	fmt.Println(service())
	otherTask()
}

0.15s，符合预期。

典型 channel 异步返回

func service() string {
    
    
	time.Sleep(time.Millisecond * 50)
	return "service执行完成"
}

func otherTask() {
    
    
	fmt.Println("otherTask的各种执行逻辑代码")
	time.Sleep(time.Millisecond * 100)
	fmt.Println("otherTask执行完成")
}

func syncService() chan string {
    
    
	// 声明一个channel，数据只能存放 string 类型
	resCh := make(chan string)

	// 创建一个协程去执行service任务
	go func() {
    
    
		ret := service()
		fmt.Println("service 结果已返回")
		// 因为不是用的 buffer channel，所以，协程会被阻塞在这一步的消息传递过程中，
		// 只有接受者拿到了 channel 中的消息，channel 放完消息后面的逻辑才会被执行。
		resCh <- ret // 存数据，从 channel 里面存放数据都用这个 “<-” 符号
		fmt.Println("channel 放完消息后面的逻辑")
	}()

	return resCh
}

// 异步返回执行结果，先调用 SyncService()，把它放入channel，用协程去执行，
// 然后主程序继续执行 otherTask()，最后把 SyncService() 的返回结果从 channel 里面取出来。
func TestSyncService(t *testing.T) {
    
    
	resCh := syncService()
	otherTask()
	fmt.Println(<-resCh) // 取数据，从 channel 里面存放数据都用这个 “<-” 符号
}

优化到 0.1s，说明 otherTask() 执行 0.1 秒，service() 因为只需要 0.05 秒，所以就提前执行完了，只需要在需要的地方取出结果就行，极大的减少了程序的整体执行时间。

• 从 channel 里面存放数据都用这个 “<-” 符号
• 声明 channel：make(chan string)

buffer channel 异步返回

我们会发现上面这中机制仍然有一个小问题，那就是 service() 执行完毕后，往 channel 里面放数据，此时协程就阻塞在这里了，需要等到接收者拿到消息，协程才会继续往下走，我们可不可以让协程不阻塞呢？当service() 执行完毕后，我们将消息放入 channel 中，然后继续执行其它的逻辑。答案是可以的，此时我们的 buffer channel 就派上用场了。

func service() string {
    
    
	time.Sleep(time.Millisecond * 50)
	return "service执行完成"
}

func otherTask() {
    
    
	fmt.Println("otherTask的各种执行逻辑代码")
	time.Sleep(time.Millisecond * 100)
	fmt.Println("otherTask执行完成")
}

// 异步执行 service(), 并将结果放入 buffer channel
func syncServiceBufferChannel() chan string {
    
    
	// 声明一个 channel，数据只能存放 string 类型
	// 后面的数字表示 buffer 的容量
	resCh := make(chan string, 1)

	go func() {
    
    
		ret := service()
		fmt.Println("service 结果已返回")
		// 此时使用的是 buffer channel，所以只要 service() 结果返回了，buffer容量未满
		// channel放完消息后面的逻辑就会被执行，不会被阻塞。
		resCh <- ret // 存数据，从 channel 里面存放数据都用这个 “<-” 符号
		fmt.Println("channel 放完消息后面的逻辑")
	}()

	return resCh
}

// 异步返回执行结果，先调用 SyncService()，把它放入 buffer channel，用协程去执行，
// 此时协程不会被阻塞，然后主程序继续执行 otherTask()，
// 最后把 TestSyncServiceBufferChannel() 的返回结果从 channel 里面取出来。
func TestSyncServiceBufferChannel(t *testing.T) {
    
    
	resCh := syncServiceBufferChannel()
	otherTask()
	fmt.Println(<-resCh) // 取数据，从 channel 里面存放数据都用这个 “<-” 符号
}

我们会发现采用了 buffer channel 后，当 service() 的返回结果放入 buffer channel 后，协程并没有阻塞，而是继续执行了 “channel 放完消息后面的逻辑”，其它的结果和典型 channel 一致。

时间虽然同样也是 0.1s，但我们要知道如果任务非常多且执行的时间较长，则优化肯定是非常明显的。

多路选择和超时控制

select多路选择机制

select 的语法和 switch 的语法很类似，它的执行顺序并不一定是按照我们代码的前后关系来决定的，而是满足哪个 case ，就执行这个 case 的结果。如果所有的 channel 都处于阻塞中，则走 default。

select {
    
    
// 从 channel 上等待一个消息
case ret := <-retCh1:
	t.Logf("result:%s", ret)
// 从另一个 channel 上等待一个消息
case ret := <-retCh2:
	t.Logf("result:%s", ret)
// 如果所有的 channel 都处于阻塞中，则走 default
default:
	t.Error("No more returned")
}

超时控制

利用 select 的多路选择机制，我们可以实现一个超时机制，例如当某个 channel 多久后还没有消息返回，我们就返回超时。

select {
    
    
case ret := <-retCh1:
	t.Logf("result:%s", ret)
case ret := <-time.After(time.Second * 5):
	t.Error("time out")
}

time.After() 是在一段时间后， 它特定的 channel 会返回一个消息，当没有达到设定的时间，这个 case 会被阻塞在这，当超过了我们设定的 duration 后，这个 case 就能从 channel 里面拿到一个消息，这样就可以用来做超时控制。

func service() string {
    
    
	time.Sleep(time.Millisecond * 50)
	return "service执行完成"
}

func otherTask() {
    
    
	fmt.Println("otherTask的各种执行逻辑代码")
	time.Sleep(time.Millisecond * 100)
	fmt.Println("otherTask执行完成")
}

func syncService() chan string {
    
    
	// 声明一个channel，数据只能存放 string 类型
	resCh := make(chan string)

	// 创建一个协程去执行service任务
	go func() {
    
    
		ret := service()
		fmt.Println("service 结果已返回")
		// 因为不是用的 buffer channel，所以，协程会被阻塞在这一步的消息传递过程中，
		// 只有接受者拿到了 channel 中的消息，channel 放完消息后面的逻辑才会被执行。
		resCh <- ret // 存数据，从 channel 里面存放数据都用这个 “<-” 符号
		fmt.Println("channel 放完消息后面的逻辑")
	}()

	return resCh
}

// 异步返回执行结果，先调用 SyncService(), 把它放入channel，用协程去执行，
// 然后主程序继续执行 otherTask()，最后把 SyncService() 的返回结果 从 channel 里面取出来。
func TestSyncService(t *testing.T) {
    
    
	select {
    
    
	case ret := <-syncService():
		otherTask()
		t.Logf("result:%s", ret)
	case <-time.After(time.Millisecond * 10):
		t.Error("time out")
	}
}

因为 service() 需要执行 0.05秒，我们设置了 0.01 秒就超时，所以就走了 time out。

channel的关闭和广播

不关闭 channel 会怎么样

写一个数据生产者和数据消费者的程序，数据生产者不断生产数据，消费者不断消费生产者生产的数据，通过 channel 交互。

// 数据生产者
func dataProducer(ch chan int, wg *sync.WaitGroup) chan int {
    
    
	wg.Add(1)
	go func() {
    
    
		for i := 0; i < 10; i++ {
    
    
			ch <- i
		}
		wg.Done()
	}()
 
	return ch
}
 
// 数据消费者
func dataConsumer(ch chan int, wg *sync.WaitGroup) {
    
    
	wg.Add(1)
	go func() {
    
    
		for i := 0; i < 10; i++ {
    
    
			data := <-ch
			fmt.Println(data)
		}
		wg.Done()
	}()
}
 
// 数据消费者
func dataConsumer2(ch chan int, wg *sync.WaitGroup) {
    
    
	wg.Add(1)
	go func() {
    
    
		for i := 0; i < 10; i++ {
    
    
			data := <-ch
			fmt.Println(data)
		}
		wg.Done()
	}()
}
 
// channel还未关闭的场景
func TestChannelNotClosed(t *testing.T) {
    
    
	ch := make(chan int)
	var wg sync.WaitGroup
	dataProducer(ch, &wg)
	dataConsumer(ch, &wg)
	wg.Wait()
}

一旦我们生产的数据和消费的数据不一致时，比如生产者可以生成 11 个数，消费者仍然只消费 10 个数，或者生产者生成 10 个数，而消费者去消费 11 个数时，就会报下面的错误：

为了解决这种问题，Go 急需 channel 具有关闭功能，且关闭后会广播所有的订阅者。

channel 的关闭

语法格式

// 关闭 channel
close(channelName)
 
// ok=true表示正常接收，false表示通道关闭
if val, ok := <-ch; ok {
    
    
    // other code
}

当 channel 已正常关闭，数据接收者还继续接收数据，则接收的数据为 channel 对应数据的默认值。

// 数据生产者
func dataProducer(ch chan int, wg *sync.WaitGroup) chan int {
    
    
	wg.Add(1)
	go func() {
    
    
		for i := 0; i < 10; i++ {
    
    
			ch <- i
		}
		// 关闭 channel
		close(ch)
		//ch <- 11 // 向关闭的 channel 发送消息，会报 panic: send on closed channel
		wg.Done()
	}()

	return ch
}

// 数据消费者
func dataReceiver(ch chan int, wg *sync.WaitGroup) {
    
    
	wg.Add(1)
	go func() {
    
    
		// 我们这里多接收一个数据，看看拿到的值是什么
		for i := 0; i < 11; i++ {
    
    
			data := <-ch
			fmt.Print(data, " ")
		}
		wg.Done()
	}()
}

// 关闭channel
func TestCloseChannel(t *testing.T) {
    
    
	ch := make(chan int)
	var wg sync.WaitGroup
	dataProducer(ch, &wg)
	dataReceiver(ch, &wg)
	wg.Wait()
}

我们会发现，当 channel 已关闭后，我们多接收了一个值，由于我们 channel 定义的数据类型为 int，则拿到的数据类型将是 int 型的默认值 0。

一般我们的 1 个 channel 可能对应多个消费者，所以当这个 channel 关闭后，广播机制就会经常被使用，通知所有消费者该 channel 已经被关闭了。

任务的取消

传统的方案是，假设一段任务在执行，我们通过设置共享内存的一个变量的值为 true 或者 false 来进行判断。现在我们将利用 CSP， select 多路选择机制和 channel 的关闭与广播实现任务取消功能。

实现原理

• 通过 CSP 在 channel 上广播一个消息，告诉所有的协程，大家现在可以停了。

如何判断

• 通过 select 多路选择机制，如果从 channel 上收到一个消息，代表需要执行任务取消功能，否则不执行。

代码示例

// 任务是否已被取消
// 实现原理：
// 检查是否从 channel 收到一个消息，如果收到一个消息，我们就返回 true，代表任务已经被取消了
// 当没有收到消息，channel 会被阻塞，多路选择机制就会走到 default 分支上去。
func isCanceled(cancelChan chan struct{
    
    }) bool {
    
    
	select {
    
    
	case <-cancelChan:
		return true
	default:
		return false
	}
}

// 执行任务取消
// 因为 close() 是一个广播机制，所以所有的协程都会收到消息
func execCancel(cancelChan chan struct{
    
    }) {
    
    
	// close(cancelChan)会使所有处于处于阻塞等待状态的消息接收者（<-cancelChan)收到消息
	close(cancelChan)
}

// 利用 CSP，多路选择机制和 channel 的关闭与广播实现任务取消功能
func TestCancel(t *testing.T) {
    
    
	var wg sync.WaitGroup
	cancelChan := make(chan struct{
    
    }, 0)

	// 启动 5 个协程
	for i := 0; i < 5; i++ {
    
    
		wg.Add(1)
		go func(i int, cancelChan chan struct{
    
    }, wg *sync.WaitGroup) {
    
    
			// 做一个 while(true) 的循环，一直检查任务是否有被取消
			for {
    
    
				if isCanceled(cancelChan) {
    
    
					fmt.Println(i, "is Canceled")
					wg.Done()
					break
				} else {
    
    
					// 其它正常业务逻辑
					time.Sleep(time.Millisecond * 5)
				}
			}
		}(i, cancelChan, &wg)
	}
	// 执行任务取消
	execCancel(cancelChan)
	wg.Wait()
}

所有的协程都被取消了。

close() 是一个广播机制，会使所有处于处于阻塞等待状态的消息接收者收到消息。

Context与任务取消

关联任务的取消

场景：当我们启动了多个子任务的同时，子任务还有子任务的时，产生了关联：

如果我们只是想要取消掉一个叶子节点的任务时，那利用 CSP，select 多路选择机制和 channel 的关闭与广播就可以实现。

但是我们现在的场景是当我们取消掉父节点的任务时，想要把子节点的全部任务也一起取消掉，那该如何实现呢？

当然我们可以自己来实现，但在 Golang 的 1.9 以后就把 Context 正式并入Go的内置包里面了，它就是专门来做这件事的。

Context

ctx, cancel := context.WithCancel(context.Background())

context.WithCancel() 方法，把根节点 context.Background() 传进去之后，返回的一个是 ctx ，一个是 cancel 方法，调用 cancel 方法则执行取消功能。而 ctx 可传到子任务里面，用来取消子任务，从而实现父节点和子任务都被取消掉。取消的通知形式是通过 ctx.Done() 来获得消息，从而判断是否收到通知。这个 ctx.Done() 就类比 channel 里面 close() 之后，所有的 channel 都会收到一个通知。

代码实现

// 任务是否已被取消
// 实现原理：
// 通过 ctx.Done() 接收context的消息，如果收到消息，我们就返回 true，代表任务已经被取消了
// 当没有收到消息，多路选择机制就会走到 default 分支上去。
func isCanceled(ctx context.Context) bool {
    
    
	select {
    
    
	case <-ctx.Done():
		return true
	default:
		return false
	}
}

// 通过context实现任务取消功能
func TestCancel(t *testing.T) {
    
    
	var wg sync.WaitGroup
	// ctx传到子节点中去，可以取消子节点，调用cancel()方法则执行取消功能
	ctx, cancel := context.WithCancel(context.Background())

	// 启动 5 个协程
	for i := 0; i < 5; i++ {
    
    
		wg.Add(1)
		go func(i int, ctx context.Context, wg *sync.WaitGroup) {
    
    
			// 做一个 while(true) 的循环，一直检查任务是否有被取消
			for {
    
    
				if isCanceled(ctx) {
    
    
					fmt.Println(i, "is Canceled")
					wg.Done()
					break
				} else {
    
    
					// 其它正常业务逻辑
					time.Sleep(time.Millisecond * 5)
				}
			}
		}(i, ctx, &wg)
	}
	// 执行任务取消
	cancel()
	wg.Wait()
}

协程都被取消了，符合预期。

并发任务

只执行一次 - 单例模式

• Java代码 - 单例模式 - 懒汉式 - 线程安全（double check）

• Go代码

  sync.Once() 能确保里面的 Do() 方法在多线程的情况下只会被执行一次。

  type Singleton struct {
        
        
  }
   
  var singleInstance *Singleton
  var once sync.Once
   
  // 获取一个单例对象
  func GetSingletonObj() *Singleton {
        
        
  	once.Do(func() {
        
        
  		fmt.Println("Create a singleton Obj")
  		singleInstance = new(Singleton)
  	})
   
  	return singleInstance
  }
   
  // 启动多个协程，测试我们单例对象是否只创建了一次
  func TestGetSingletonObj(t *testing.T)  {
        
        
  	var wg sync.WaitGroup
  	for i := 0; i < 5; i++ {
        
        
  		wg.Add(1)
  		go func() {
        
        
  			obj := GetSingletonObj()
  			fmt.Printf("%x\n", unsafe.Pointer(obj))
  			wg.Done()
  		}()
  	}
  	wg.Wait()
  }
  

  

  可以看到 Do() 方法中输出内容只打印了一次，多个协程拿到的地址值都相同，实现单例模式。

仅需任意任务完成

当我们需要执行许多并发任务，但是只要任意一个任务执行完毕，就可以将结果返回给用户。例如我们同时向百度和 google 去搜索某一个搜索词，任何一个搜索引擎第一个返回，我们就可以把结果返回给用户了，不需要所有场景都返回。

• 这里我们利用 CSP 的机制实现这个模式

// 从网站上执行搜索功能
func searchFromWebSite(webSite string) string {
    
    
	time.Sleep(10 * time.Millisecond)
	return fmt.Sprintf("search from %s", webSite)
}

// 收到第一个结果后立刻返回
func FirstResponse() string {
    
    
	var arr = [2]string{
    
    "baidu", "google"}
	// 防止协程泄露，这里用 buffer channel 很重要，否则可能导致剩下的协程会被阻塞在那里，
	// 当阻塞的协程达到一定量后，最终可能导致服务器资源耗尽而出现重大故障
	ch := make(chan string, len(arr))
	for _, val := range arr {
    
    
		go func(v string) {
    
    
			// 拿到所有结果放入 channel
			ch <- searchFromWebSite(v)
		}(val)
	}
	// 这里没有使用 WaitGroup，因为我们的需求是当 channel 收到第一个消息后就立刻返回
	return <-ch
}

func TestFirstResponse(t *testing.T) {
    
    
	t.Log("Before:", runtime.NumGoroutine()) // 输出当前系统中的协程数
	t.Log(FirstResponse())
	t.Log("After:", runtime.NumGoroutine()) // 输出当前系统中的协程数
}

所有任务完成

有时候我们需要所有任务都完成才进入下一个环节，当我们下单成功后，只有积分和优惠券都赠送了才显示所有优惠赠送成功。

这个模式当然可以用 WaitGroup 实现，但我们这里再使用 CSP 机制实现。

// 送豪礼方法
func sendGift(gift string) string {
    
    
	time.Sleep(10 * time.Millisecond)
	return fmt.Sprintf("送%s", gift)
}

// 使用 CSP 拿到所有的结果才返回
func CspAllResponse() []string {
    
    
	var arr = [2]string{
    
    "优惠券", "积分"}
	// 防止协程泄露，这里用 buffer channel 很重要，否则可能导致剩下的协程会被阻塞在那里，
	// 当阻塞的协程达到一定量后，最终可能导致服务器资源耗尽而出现重大故障
	ch := make(chan string, len(arr))
	for _, val := range arr {
    
    
		go func(v string) {
    
    
			// 拿到所有结果放入 channel
			ch <- sendGift(v)
		}(val)
	}

	var finalRes = make([]string, len(arr), len(arr))
	// 等到所有的的协程都执行完毕，把结果一起返回
	for i := 0; i < len(arr); i++ {
    
    
		finalRes[i] = <-ch
	}
	return finalRes
}

func TestAllResponse(t *testing.T) {
    
    
	t.Log("Before:", runtime.NumGoroutine())
	t.Log(CspAllResponse())
	t.Log("After:", runtime.NumGoroutine())
}

对象池

在我们日常的开发中，经常会有像数据库连接，网络连接等，我们经常需要把它们池化，以免对象被重复创建。在 Go 语言中我们可以使用 buffered channel 实现对象池，通过设定 buffer 的大小来设定池的大小，我们可以从这个 buffer 池中拿到一个对象，用完了再还到 channel 上。

// 可重用对象，比如连接等
type Reusable struct {
    
    
}

// 对象池
type ObjPool struct {
    
    
	bufChan chan *Reusable // 用于缓存可重用对象
}

// 创建一个包含多个可重用对象的对象池
func NewObjPool(numOfObj int) *ObjPool {
    
    
	// 声明对象池
	objPool := ObjPool{
    
    }
	// 初始化 objPool.bufChan 为一个 channel
	objPool.bufChan = make(chan *Reusable, numOfObj)
	// 往 objPool 对象池里面放多个可重用对象
	for i := 0; i < numOfObj; i++ {
    
    
		objPool.bufChan <- &Reusable{
    
    }
	}
	return &objPool
}

// 从对象池拿到一个对象
func (objPool *ObjPool) GetObj(timeout time.Duration) (*Reusable, error) {
    
    
	select {
    
    
	case ret := <-objPool.bufChan:
		return ret, nil
	case <-time.After(timeout): // 超时控制
		return nil, errors.New("time out")
	}
}

// 将可重用对象还回对象池
func (objPool *ObjPool) ReleaseObj(ReusableObj *Reusable) error {
    
    
	select {
    
    
	case objPool.bufChan <- ReusableObj:
		return nil
	default:
		return errors.New("overflow") // 超出可重用对象池容量
	}
}

// 从对象池里面拿出对象，用完了再放回去
func TestObjPool(t *testing.T) {
    
    
	pool := NewObjPool(3)
	for i := 0; i < 3; i++ {
    
    
		if obj, err := pool.GetObj(time.Second * 1); err != nil {
    
    
			t.Error(err)
		} else {
    
    
			fmt.Printf("%T\n", obj)
			if err := pool.ReleaseObj(obj); err != nil {
    
    
				t.Error(err)
			}
		}
	}
	t.Log("Done")
}

sync.Pool 对象缓存

其实 sync.Pool 并不是对象池的类，而是个对象缓存，叫 sync.Cache 更贴切。

sync.Pool 有两个重要的概念，私有对象和共享池：

• 私有对象：协程安全，写入的时候不需要锁。
• 共享池：协程不安全，写入的时候需要锁。

它们两个存放在我们之前讲过的 Processor 中。

sync.Pool 对象获取

sync.Pool 对象放回

sync.Pool 的生命周期

这也就是为什么不能拿它来当对象池用。

使用 sync.Pool

伪代码

// 使用 New 关键字创建新对象
pool := &sync.Pool{
    
    
	New: func() interface{
    
    } {
    
    
		return 0
	},
}
 
// 从 pool 中获取一个对象，因为返回的是空接口interface{}，所以要自己做断言
array := pool.Get().(int)
 
// 往 pool 中放入一个对象
pool.Put(10)

基本使用

// 调试 sync.Pool 对象
func TestSyncPool(t *testing.T) {
    
    
	pool := &sync.Pool{
    
    
		New: func() interface{
    
    } {
    
    
			fmt.Println("Create a new object")
			return 1
		},
	}

	// 第一次从池中获取对象，我们知道它一定是空的，所有肯定会调用 New 方法去创建一个新对象
	v := pool.Get().(int)
	fmt.Println(v) // 1

	// 放一个不存在的对象，它会优先放入私有对象
	pool.Put(2)
	// 此时私有对象已经存在了，所以会优先拿到私有对象的值
	v1 := pool.Get().(int)
	fmt.Println(v1) // 2

	// 模拟系统调用GC, GC会清除 sync.pool中缓存的对象
	//runtime.GC()
}

过程中发生一次 GC：

// 调试 sync.Pool 对象
func TestSyncPool2(t *testing.T) {
    
    
	pool := &sync.Pool{
    
    
		New: func() interface{
    
    } {
    
    
			fmt.Println("Create a new object")
			return 1
		},
	}

	// 第一次从池中获取对象，我们知道它一定是空的，所有肯定会调用 New 方法去创建一个新对象
	v := pool.Get().(int)
	fmt.Println(v) // 1

	// 放一个不存在的对象，它会优先放入私有对象
	pool.Put(2)
	// 模拟系统调用GC, GC会清除 sync.pool中缓存的对象
	runtime.GC()
	// 此时私有对象已经被GC掉了，所以这里又新建了一次对象
	v1 := pool.Get().(int)
	fmt.Println(v1) // 1
}

创建了 2 次新对象，符合预期。

注意：使用 Get() 方法新创建的对象是不会放入到私有对象中的，只有 Put() 方法才会放到私有对象中。

在多协程中的应用

// 调试 sync.Pool 在多个协程中的应用场景
func TestSyncPoolInMultiGoroutine(t *testing.T) {
    
    
	pool := sync.Pool{
    
    
		New: func() interface{
    
    } {
    
    
			fmt.Println("Create a new object")
			return 0
		},
	}

	pool.Put(1)
	pool.Put(2)
	pool.Put(3)

	var wg sync.WaitGroup
	for i := 0; i < 5; i++ {
    
    
		wg.Add(1)
		go func() {
    
    
			v, _ := pool.Get().(int)
			fmt.Println(v)
			wg.Done()
		}()
	}
	wg.Wait()
}

sync.Pool 总结

单元测试

内置单元测试框架

func TestErrorInCode(t *testing.T) {
    
    
	fmt.Println("Start")
	t.Error("Error")
	fmt.Println("End")
}

func TestFailInCode(t *testing.T) {
    
    
	fmt.Println("Start")
	t.Fatal("Error")
	fmt.Println("End")
}

使用 Error 的测试方法，测试继续执行，使用 Fatal 的测试方法，测试中断。

显示代码覆盖率

go test -v -cover

断言

https://github.com/stretchr/testify

安装 assert：

go get -u github.com/stretchr/testify

// 平方 故意+1计算错误，使断言生效
func square(num int) int {
    
    
	return num * num + 1
}
 
// 表格测试法
func TestSquare(t *testing.T) {
    
    
	// 输入值
	inputs := [...]int{
    
    1, 2, 3}
	// 期望值
	expected := [...]int{
    
    2, 4, 9}
 
	for i := 0; i< len(inputs); i++ {
    
    
		ret := square(inputs[i])
		// 调用 assert 断言包
		assert.Equal(t, expected[i], ret)
	}
}

Benchmark

用途

• 对程序中某些代码片段的进行一个性能测评，比较一下哪种写法会更好一些。
• 对第三方库进行一个测评，看哪个库性能更好一些。

使用示例

用 b.ResetTimer() 和 b.StopTimer() 来隔离与性能测试无关的代码。

代码测试：比较字符串拼接的性能

// 通过“+=”的方式拼接字符串
func ConcatStringByLink() string {
    
    
	elements := [...]string{
    
    "1", "2", "3", "4", "5", "6", "7", "8", "9", "10",
		"11", "12", "13", "14", "15", "16", "17", "18", "19", "20"}
	str := ""
	for _, elem := range elements {
    
    
		str += elem
	}
	return str
}

// 通过字节数组 bytes.buffer 拼接字符串
func ConcatStringByBytesBuffer() string {
    
    
	elements := [...]string{
    
    "1", "2", "3", "4", "5", "6", "7", "8", "9", "10",
		"11", "12", "13", "14", "15", "16", "17", "18", "19", "20"}
	var buf bytes.Buffer
	for _, elem := range elements {
    
    
		buf.WriteString(elem)
	}
	return buf.String()
}

// 用benchmark测试字符串拼接方法的性能
func BenchmarkConcatStringWithLink(b *testing.B) {
    
    
	// 与性能测试无关的代码的开始位置
	b.ResetTimer()

	for i := 0; i < b.N; i++ {
    
    
		ConcatStringByLink()
	}

	// 与性能测试无关代码的结束为止
	b.StopTimer()
}

// 用 benchmark 测试 bytes.buffer 连接字符串的性能
func BenchmarkConcatStringWithByteBuffer(b *testing.B) {
    
    
	// 与性能测试无关的代码的开始位置
	b.ResetTimer()

	for i := 0; i < b.N; i++ {
    
    
		ConcatStringByBytesBuffer()
	}

	// 与性能测试无关代码的结束为止
	b.StopTimer()
}

方式	代码运行次数	单次运行时间
使用 += 拼接	1813815	649.9 ns/op
使用 bytes.Buffer 拼接	6804018	172.6 ns/op

这只是拼接了 20 个字符串，如果拼接的字符串更多，则差距会更加明显。

原生命令

// -bench= 后面跟方法名，如果是所有方法就写"."
go test -bench=.
 
// 注意：windows下使用 go test 命令时， -bench=.应该写成 -bench="."

// 如果想知道 代码每一次的内存分配情况，这种方案为什么快，那种方案为什么慢，可以加一个-benchmem参数
go test -bench=. -benchmem

通过 += 的方式我们总共使用 allocs 分配了 19 次空间，而通过 byte.Buffer 只分配了一次，性能提升在这里。

BDD

BDD（Behavior Driven Development），行为驱动开发。

为了让我们和客户间的沟通更加顺畅，我们会用同一种“语言”来描述一个系统，避免表达不一致的问题，当出现了什么行为，会出现什么结果。

BDD in Go

goconvey 项目网站：

https://github.com/smartystreets/goconvey/

安装

go get -u github.com/smartystreets/goconvey/convey

代码示例

package bdd

import (
	"testing"
	// 前面这个"."点，表示将import进来的package的方法是在当前名字空间的，可以直接使用里面的方法
	// 例如使用 So()方法，就可以直接用，不用写成 convey.So()
	. "github.com/smartystreets/goconvey/convey"
)

// BDD框架 convey的使用
func TestSpec(t *testing.T) {
    
    
	Convey("Given 2 even numbers", t, func() {
    
    
		a := 3
		b := 4

		Convey("When add the two numbers", func() {
    
    
			c := a + b
            
			Convey("Then the result is still even", func() {
    
    
				So(c%2, ShouldEqual, 0) // 判断c % 2是否为 0
			})
		})
	})
}

启动 WEB UI

~/go/bin/goconvey 

Web 界面非常友好：

如果端口冲突了，可以这样解决

~/go/bin/goconvey -port 8081

笔记整理自极客时间视频教程：Go语言从入门到实战