Go语言 goroutine

一、概念介绍

Go 语言是原生支持语言级并发的,这个并发的最小逻辑单元就是 goroutine。goroutine 就是 Go 语言提供的一种用户态线程,当然这种用户态线程是跑在内核级线程之上的。当我们创建了很多的 goroutine,并且它们都是跑在同一个内核线程之上的时候,就需要一个调度器来维护这些 goroutine,确保所有的 goroutine 都使用 cpu,并且是尽可能公平的使用 cpu 资源。这与其他语言大不一样,不像以前我们要用 Thread 库来新建线程,还要用线程安全的队列库来共享数据。

一般的程序,如果没有特别的要求的话,是顺序执行的,这样的程序也容易编写维护。但是随着科技的发展、业务的演进,我们不得不变写可以并行的程序,因为这样有很多好处。比如你在看文章的时候,还可以听着音乐,这就是系统的并行,同时可以做多件事情,充分的利用计算机的多核,提升的软件运行的性能。

在操作系统中,有两个重要的概念:一个是进程、一个是线程。当我们运行一个程序的时候,比如你的 IDE 或者 QQ 等,操作系统会为这个程序创建一个进程,这个进程包含了运行这个程序所需的各种资源,可以说它是一个容器,是属于这个程序的工作空间,比如它里面有内存空间、文件句柄、设备和线程等等。

线程是一个执行的空间,比如要下载一个文件,访问一次网络等。线程会被操作系统调用,来在不同的处理器上运行编写的代码任务,这个处理器不一定是该程序进程所在的处理。操作系统过的调度是操作系统负责的,不同的操作系统可能会不一样,但是对于我们程序编写者来说,不用关心,因为对我们都是透明的。

一个进程在启动的时候,会创建一个主线程,这个主线程结束的时候,程序进程也就终止了,所以一个进程至少有一个线程,这也是我们在 main 函数里,使用 goroutine 的时候,要让主线程等待的原因,因为主线程结束了,程序就终止了,那么就有可能会看不到 goroutine 的输出。

Go 语言中并发指的是让某个函数独立于其他函数运行的能力,一个 goroutine 就是一个独立的工作单元,Go 的 runtime(运行时)会在逻辑处理器上调度这些 goroutine 来运行,一个逻辑处理器绑定一个操作系统线程,所以说 goroutine 不是线程,它是一个协程,也是这个原因,它是由 Go 语言运行时本身的算法实现的。

总结下几个概念:

概念 说明
进程 一个程序对应一个独立程序空间
线程 一个执行空间,一个进程可以有多个线程
逻辑处理器 执行创建的 goroutine,绑定一个线程
调度器 Go 运行时中的,分配 goroutine 给不同的逻辑处理器
全局运行队列 所有刚创建的 goroutine 都会放到这里
本地运行队列 逻辑处理器的 goroutine 队列

这一套管理、调度、执行 goroutine 的方式称之为 Go 的并发。并发可以同时做很多事情,比如有个 goroutine 执行了一半,就被暂停执行其他 goroutine 去了,这是 Go 控制管理的。所以并发的概念和并行不一样,并行指的是在不同的物理处理器上同时执行不同的代码片段,并行可以同时做很多事情,而并发是同时管理很多事情,因为操作系统和硬件的总资源比较少,所以并发的效果要比并行好的多,使用较少的资源做更多的事情,也是 Go 语言提倡的。

以上所述是 Go 的并发原理,那么Go的并行是怎样的呢?其实答案非常简单,多创建一个逻辑处理器就好了,这样调度器就可以同时分配全局运行队列中的 goroutine 到不同的逻辑处理器上并行执行。

二、代码分析

看一下代码:

func main() {
	var wg  sync.WaitGroup
	wg.Add(2)
	go func() {
		defer wg.Done()
		for i:=1; i<100;i++  {
			fmt.Println("A:",i)
		}
	}()
	go func() {
		defer wg.Done()
		for i:=1; i<100;i++  {
			fmt.Println("B:",i)
		}
	}()
	wg.Wait()
}

这是一个简单的并发程序。创建一个 goroutine 是通过 go 关键字的,其后跟一个函数或者方法即可。

这里的 sync.WaitGroup 其实是一个计数的信号量,使用它的目的是要 main 函数等待两个 goroutine 执行完成后再结束,不然这两个 goroutine 还在运行的时候,程序就结束了,看不到想要的结果。

sync.WaitGroup 的使用也非常简单,先是使用 Add 方法设设置计算器为 2,每一个 goroutine 的函数执行完之后,就调用 Done 方法减 1。Wait 方法的意思是如果计数器大于 0,就会阻塞,所以 main 函数会一直等待 2 个 goroutine 完成后,再结束。

运行这个程序,会发现 A 和 B 前缀会交叉出现,并且每次运行的结果可能不一样,这就是 Go 调度器调度的结果。

默认情况下,Go 默认是给每个可用的物理处理器都分配一个逻辑处理器,因为我的电脑是 4 核的,所以上面的例子默认创建了 4 个逻辑处理器,因此这个例子中同时也有并行的调度,如果我们强制只使用一个逻辑处理器,我们再看看结果。

func main() {
	runtime.GOMAXPROCS(1)
	var wg  sync.WaitGroup
	wg.Add(2)
	go func() {
		defer wg.Done()
		for i:=1; i<100;i++  {
			fmt.Println("A:",i)
		}
	}()
	go func() {
		defer wg.Done()
		for i:=1; i<100;i++  {
			fmt.Println("B:",i)
		}
	}()
	wg.Wait()
}

设置逻辑处理器个数也非常简单,在程序开头使用 runtime.GOMAXPROCS(1) 即可,这里设置的数量是 1。这样就可以避免 A 和 B 交叉打印。

这里我们不要误认为是顺序执行,这里之所以顺序输出的原因,是因为我们的 goroutine 执行时间太短暂了,还没来得及切换到第 2 个 goroutine,第 1 个 goroutine 就完成了。这里我们可以把每个 goroutine 的执行时间拉长一些,就可以看到并发的效果了。

对于逻辑处理器的个数,不是越多越好,要根据电脑的实际物理核数,如果不是多核的,设置再多的逻辑处理器个数也没用,如果需要设置的话,一般我们采用如下代码设置。

runtime.GOMAXPROCS(runtime.NumCPU())

所以对于并发来说,就是 Go 语言本身自己实现的调度,对于并行来说,是和运行的电脑的物理处理器的核数有关的,多核就可以并行并发,单核只能并发了。

三、参考链接

https://www.flysnow.org/2017/04/11/go-in-action-go-goroutine.html
https://www.zhihu.com/question/20862617/answer/131341519

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