如何在Golang中使用協程

這篇文章將為大家詳細講解有關如何在Golang中使用協程，文章內容質量較高，因此小編分享給大家做個參考，希望大家閱讀完這篇文章后對相關知識有一定的了解。

什么是golang

golang 是Google開發的一種靜態強類型、編譯型、并發型，并具有垃圾回收功能的編程語言，其語法與 C語言相近，但并不包括如枚舉、異常處理、繼承、泛型、斷言、虛函數等功能。

一、Golang 線程和協程的區別　　

備注：需要區分進程、線程(內核級線程)、協程(用戶級線程)三個概念。

進程、線程 和 協程 之間概念的區別

對于 進程、線程，都是有內核進行調度，有 CPU 時間片的概念，進行 搶占式調度（有多種調度算法）

對于 協程(用戶級線程)，這是對內核透明的，也就是系統并不知道有協程的存在，是完全由用戶自己的程序進行調度的，因為是由用戶程序自己控制，那么就很難像搶占式調度那樣做到強制的 CPU 控制權切換到其他進程/線程，通常只能進行 協作式調度，需要協程自己主動把控制權轉讓出去之后，其他協程才能被執行到。

goroutine 和協程區別

本質上，goroutine 就是協程。 不同的是，Golang 在 runtime、系統調用等多方面對 goroutine 調度進行了封裝和處理，當遇到長時間執行或者進行系統調用時，會主動把當前 goroutine 的CPU (P) 轉讓出去，讓其他 goroutine 能被調度并執行，也就是 Golang 從語言層面支持了協程。

Golang 的一大特色就是從語言層面原生支持協程，在函數或者方法前面加 go關鍵字就可創建一個協程。

其他方面的比較

1. 內存消耗方面

每個 goroutine (協程) 默認占用內存遠比 Java 、C 的線程少。　　　　

goroutine：2KB 　　　　

線程：8MB

2. 線程和 goroutine 切換調度開銷方面

線程/goroutine 切換開銷方面，goroutine 遠比線程小　　　　

線程：涉及模式切換(從用戶態切換到內核態)、16個寄存器、PC、SP...等寄存器的刷新等。　　　　

goroutine：只有三個寄存器的值修改 - PC / SP / DX.

二、協程底層實現原理　　

線程是操作系統的內核對象，多線程編程時，如果線程數過多，就會導致頻繁的上下文切換，這些 cpu 時間是一個額外的耗費。

所以在一些高并發的網絡服務器編程中，使用一個線程服務一個 socket 連接是很不明智的。于是操作系統提供了基于事件模式的異步編程模型。用少量的線程來服務大量的網絡連接和I/O操作。

但是采用異步和基于事件的編程模型，復雜化了程序代碼的編寫，非常容易出錯。因為線程穿插，也提高排查錯誤的難度。

協程，是在應用層模擬的線程，他避免了上下文切換的額外耗費，兼顧了多線程的優點。簡化了高并發程序的復雜度。舉個例子，一個高并發的網絡服務器，每一個socket連接進來，服務器用一個協程來對他進行服務。代碼非常清晰。而且兼顧了性能。

那么，協程是怎么實現的呢？

他和線程的原理是一樣的，當 a線程 切換到 b線程 的時候，需要將 a線程 的相關執行進度壓入棧，然后將 b線程 的執行進度出棧，進入 b線程 的執行序列。協程只不過是在 應用層 實現這一點。但是，協程并不是由操作系統調度的，而且應用程序也沒有能力和權限執行 cpu 調度。怎么解決這個問題？

答案是，協程是基于線程的。內部實現上，維護了一組數據結構和 n 個線程，真正的執行還是線程，協程執行的代碼被扔進一個待執行隊列中，由這 n 個線程從隊列中拉出來執行。這就解決了協程的執行問題。那么協程是怎么切換的呢？答案是：golang 對各種 io函數 進行了封裝，這些封裝的函數提供給應用程序使用，而其內部調用了操作系統的異步 io函數，當這些異步函數返回 busy 或 bloking 時，golang 利用這個時機將現有的執行序列壓棧，讓線程去拉另外一個協程的代碼來執行，基本原理就是這樣，利用并封裝了操作系統的異步函數。包括 linux 的 epoll、select 和 windows 的 iocp、event 等。

由于golang是從編譯器和語言基礎庫多個層面對協程做了實現，所以，golang的協程是目前各類有協程概念的語言中實現的最完整和成熟的。十萬個協程同時運行也毫無壓力。關鍵我們不會這么寫代碼。但是總體而言，程序員可以在編寫 golang 代碼的時候，可以更多的關注業務邏輯的實現，更少的在這些關鍵的基礎構件上耗費太多精力。

三、協程的歷史以及特點　　

協程（Coroutine）是在1963年由Melvin E. Conway USAF, Bedford, MA等人提出的一個概念。而且協程的概念是早于線程（Thread）提出的。但是由于協程是非搶占式的調度，無法實現公平的任務調用。也無法直接利用多核優勢。因此，我們不能武斷地說協程是比線程更高級的技術。

盡管，在任務調度上，協程是弱于線程的。但是在資源消耗上，協程則是極低的。一個線程的內存在 MB 級別，而協程只需要 KB 級別。而且線程的調度需要內核態與用戶的頻繁切入切出，資源消耗也不小。

我們把協程的基本特點歸納為：

1. 協程調度機制無法實現公平調度

2. 協程的資源開銷是非常低的，一臺普通的服務器就可以支持百萬協程。 　　

那么，近幾年為何協程的概念可以大熱。我認為一個特殊的場景使得協程能夠廣泛的發揮其優勢，并且屏蔽掉了劣勢 --> 網絡編程。與一般的計算機程序相比，網絡編程有其獨有的特點。

1. 高并發（每秒鐘上千數萬的單機訪問量）

2. Request/Response。程序生命期端（毫秒，秒級）

3. 高IO，低計算（連接數據庫，請求API）。 　　

最開始的網絡程序其實就是一個線程一個請求設計的（Apache）。后來，隨著網絡的普及，誕生了C10K問題。Nginx 通過單線程異步 IO 把網絡程序的執行流程進行了亂序化，通過 IO 事件機制最大化的保證了CPU的利用率。

至此，現代網絡程序的架構已經形成。基于IO事件調度的異步編程。其代表作恐怕就屬 NodeJS 了吧。

異步編程的槽點

異步編程為了追求程序的性能，強行的將線性的程序打亂，程序變得非常的混亂與復雜。對程序狀態的管理也變得異常困難。寫過Nginx C Module的同學應該知道我說的是什么。我們開始吐槽 NodeJS 那惡心的層層Callback。

Golang 　　

在我們瘋狂被 NodeJS 的層層回調惡心到的時候，Golang 作為名門之后開始走入我們的視野。并且迅速的在Web后端極速的跑馬圈地。其代表者 Docker 以及圍繞這 Docker 展開的整個容器生態圈欣欣向榮起來。其最大的賣點 – 協程 開始真正的流行與討論起來。

我們開始向寫PHP一樣來寫全異步IO的程序。看上去美好極了，仿佛世界就是這樣了。

在網絡編程中，我們可以理解為 Golang 的協程本質上其實就是對 IO 事件的封裝，并且通過語言級的支持讓異步的代碼看上去像同步執行的一樣。

四、Golang 協程的應用　　

我們知道，協程（coroutine）是Go語言中的輕量級線程實現，由Go運行時（runtime）管理。

在一個函數調用前加上go關鍵字，這次調用就會在一個新的goroutine中并發執行。當被調用的函數返回時，這個goroutine也自動結束。需要注意的是，如果這個函數有返回值，那么這個返回值會被丟棄。

先看一下下面的程序代碼：

func Add(x, y int) {
    z := x + y
    fmt.Println(z)
}
 
func main() {
    for i:=0; i<10; i++ {
        go Add(i, i)
    }
}

執行上面的代碼，會發現屏幕什么也沒打印出來，程序就退出了。　　

對于上面的例子，main()函數啟動了10個goroutine，然后返回，這時程序就退出了，而被啟動的執行 Add() 的 goroutine 沒來得及執行。我們想要讓 main() 函數等待所有 goroutine 退出后再返回，但如何知道 goroutine 都退出了呢？這就引出了多個goroutine之間通信的問題。

在工程上，有兩種最常見的并發通信模型：共享內存 和 消息。

下面的例子，使用了鎖變量（屬于一種共享內存）來同步協程，事實上 Go 語言主要使用消息機制（channel）來作為通信模型

package main 
import (
    "fmt"
    "sync"
    "runtime"
)
 
var counter int = 0 
func Count(lock *sync.Mutex) {
    lock.Lock() // 上鎖
    counter++
    fmt.Println("counter =", counter)
    lock.Unlock()   // 解鎖
}
 
func main() {
    lock := &sync.Mutex{}
 
    for i:=0; i<10; i++ {
        go Count(lock)
    }
    for {
        lock.Lock() // 上鎖
        c := counter
        lock.Unlock()   // 解鎖
 
        runtime.Gosched() // 出讓時間片
 
        if c >= 10 {
            break
        }
    }
}

channel

消息機制認為每個并發單元是自包含的、獨立的個體，并且都有自己的變量，但在不同并發單元間這些變量不共享。每個并發單元的輸入和輸出只有一種，那就是消息。

channel 是 Go 語言在語言級別提供的 goroutine 間的通信方式，我們可以使用 channel 在多個 goroutine 之間傳遞消息。channel是進程內的通信方式，因此通過 channel 傳遞對象的過程和調用函數時的參數傳遞行為比較一致，比如也可以傳遞指針等。channel 是類型相關的，一個 channel 只能傳遞一種類型的值，這個類型需要在聲明 channel 時指定。

channel的聲明形式為：

var chanName chan ElementType

舉個例子，聲明一個傳遞int類型的channel：

var ch chan int

使用內置函數 make() 定義一個channel：

ch := make(chan int)

在channel的用法中，最常見的包括寫入和讀出：

// 將一個數據value寫入至channel，這會導致阻塞，直到有其他goroutine從這個channel中讀取數據
ch <- value
// 從channel中讀取數據，如果channel之前沒有寫入數據，也會導致阻塞，直到channel中被寫入數據為止
value := <-ch

默認情況下，channel的接收和發送都是阻塞的，除非另一端已準備好。

我們還可以創建一個帶緩沖的channel：

c := make(chan int, 1024)
// 從帶緩沖的channel中讀數據
for i:=range c {
　　...
}

此時，創建一個大小為1024的int類型的channel，即使沒有讀取方，寫入方也可以一直往channel里寫入，在緩沖區被填完之前都不會阻塞。

可以關閉不再使用的channel：

close(ch)

應該在生產者的地方關閉channel，如果在消費者的地方關閉，容易引起panic；

現在利用channel來重寫上面的例子：

func Count(ch chan int) {
    ch <- 1
    fmt.Println("Counting")
}
 
func main() {
 
    chs := make([] chan int, 10)
 
    for i:=0; i<10; i++ {
        chs[i] = make(chan int)
        go Count(chs[i])
    }
 
    for _, ch := range(chs) {
        <-ch
    }
}

在這個例子中，定義了一個包含10個channel的數組，并把數組中的每個channel分配給10個不同的goroutine。在每個goroutine完成后，向goroutine寫入一個數據，在這個channel被讀取前，這個操作是阻塞的。

在所有的goroutine啟動完成后，依次從10個channel中讀取數據，在對應的channel寫入數據前，這個操作也是阻塞的。

這樣，就用channel實現了類似鎖的功能，并保證了所有goroutine完成后main()才返回。

另外，我們在將一個channel變量傳遞到一個函數時，可以通過將其指定為單向channel變量，從而限制該函數中可以對此channel的操作。

select

在UNIX中，select()函數用來監控一組描述符，該機制常被用于實現高并發的socket服務器程序。Go語言直接在語言級別支持select關鍵字，用于處理異步IO問題，大致結構如下：

select {
    case <- chan1:
    // 如果chan1成功讀到數據
     
    case chan2 <- 1:
    // 如果成功向chan2寫入數據
 
    default:
    // 默認分支
}

select默認是阻塞的，只有當監聽的channel中有發送或接收可以進行時才會運行，當多個channel都準備好的時候，select是隨機的選擇一個執行的。

Go語言沒有對channel提供直接的超時處理機制，但我們可以利用select來間接實現，例如：

timeout := make(chan bool, 1) 
go func() {
    time.Sleep(1e9)
    timeout <- true
}()
 
switch {
    case <- ch:
    // 從ch中讀取到數據
 
    case <- timeout:
    // 沒有從ch中讀取到數據，但從timeout中讀取到了數據
}

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