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Golang —— goroutine(协程)和channel(管道)

协程(goroutine)

协程(goroutine)是Go中应用程序并发处理的部分,它可以进行高效的并发运算。

  • 协程是轻量的,比线程更廉价。使用4K的栈内存就可以在内存中创建。
  • 能够对栈进行分割,动态地增加或缩减内存的使用。栈的管理会在协程退出后自动释放。
  • 协程的栈会根据需要进行伸缩,不出现栈溢出。

协程的使用

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {
	fmt.Println("In main()")
	go longWait()
	go shortWait()
	fmt.Println("About to sleep in main()")

	//time.Sleep(4 * 1e9)
	time.Sleep(10 * 1e9)
	fmt.Println("At the end of main()")
}

func longWait() {
	fmt.Println("Beginning longWait()")
	time.Sleep(5 * 1e9)
	fmt.Println("End of longWait()")
}

func shortWait() {
	fmt.Println("Beginning shortWait()")
	time.Sleep(2 * 1e9)
	fmt.Println("End of shortWait()")
}
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Go中用go关键字来开启一个协程,其中main函数也可以看做是一个协程。

不难理解,上述代码的输出为:

In main()
About to sleep in main()
Beginning shortWait()
Beginning longWait()
End of shortWait()
End of longWait()
At the end of main()
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但是,当我们将main的睡眠时间设置成4s时,输出发生了改变。

In main()
About to sleep in main()
Beginning shortWait()
Beginning longWait()
End of shortWait()
At the end of main()
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程序并没有输出End of longWait(),原因在于,longWait()main()运行在不同的协程中,两者是异步的。也就是说,早在longWait()结束之前,main已经退出,自然也就看不到输出了。

通道(channel)

通道(channel)是Go中一种特殊的数据类型,可以通过它们发送类型化的数据在协程之间通信,避开内存共享导致的问题。

通道的通信方式保证了同步性,并且同一时间只有一个协程能够访问数据,不会出现数据竞争

以工厂的传输带为例,一个机器放置物品(生产者协程),经过传送带,到达下一个机器打包装箱(消费者协程)。

通道的使用

在学习使用管道之前,我们先来看一个“悲剧”。

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {
	fmt.Println("Reveal romantic feelings...")
	go sendLove()
	go responseLove()
	waitFor()
	fmt.Println("Leaving ☠️....")
}

func waitFor() {
	for i := 0; i < 5; i++ {
		fmt.Println("Keep waiting...")
		time.Sleep(1 * 1e9)
	}
}

func sendLove() {
	fmt.Println("Love you, mm ❤️")
}

func responseLove() {
	time.Sleep(6 * 1e9)
	fmt.Println("Love you, too")
}
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用上面学习的知识,不难看出。。。真的惨啊

Reveal romantic feelings...
Love you, mm ❤️
Keep waiting...
Keep waiting...
Keep waiting...
Keep waiting...
Keep waiting...
Leaving ☠️....
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明明收到了暗恋女孩的回应,然而却以为对方不接受自己的情感,含泪离去。【TAT】

可见,协程之间没有互相通信将会引起多么大的误解。幸好,我们有了channel,现在就来一起改写故事的结局吧~

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {
	ch := make(chan string)
	var answer string

	fmt.Println("Reveal fomantic feelings...")
	go sendLove()
	go responseLove(ch)
	waitFor()
	answer = <-ch

	if answer != "" {
		fmt.Println(answer)
	} else {
		fmt.Println("Dead ☠️....")
	}

}

func waitFor() {
	for i := 0; i < 5; i++ {
		fmt.Println("Keep waiting...")
		time.Sleep(1 * 1e9)
	}
}

func sendLove() {
	fmt.Println("Love you, mm ❤️")
}

func responseLove(ch chan string) {
	time.Sleep(6 * 1e9)
	ch <- "Love you, too"
}
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输出为:

Reveal fomantic feelings...
Love you, mm ❤️
Keep waiting...
Keep waiting...
Keep waiting...
Keep waiting...
Keep waiting...
Love you, too
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皆大欢喜。

这里我们用ch := make(chan string)创建了一个string类型的管道,当然我们还可以构建其他类型比如ch := make(chan int),甚至一个函数管道funcChan := chan func()

我们还用到了一个通信操作符<-

  • 流向通道:ch <- content,用管道ch发送变量content。

  • 从通道流出:answer := <- ch,变量answer从通道ch接收数据。

  • <- ch可以单独调用,以获取通道的下一个值,当前值会被丢弃,但是可以用来验证,比如:

    if <- ch != 100 {
        /* do something */
    }
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通道阻塞

  • 对于同一通道,发送操作在接受者准备好之前是不会结束的。这就意味着,如果一个无缓冲通道在没有空间接收数据的时候,新的输入数据无法输入,即发送者处于阻塞状态。
  • 对于同一通道,接收操作是阻塞的,直到发送者可用。如果通道中没有数据,接收者会保持阻塞。

以上两条性质,反映了无缓冲通道的特性:同一时间只允许至多一个数据存在于通道中

我们通过例子来感受一下:

package main

import "fmt"

func main() {
	ch1 := make(chan int)
	go pump(ch1)
	fmt.Println(<-ch1)
}

func pump(ch chan int) {
	for i := 0; ; i++ {
		ch <- i
	}
}
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程序输出:

0
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这里的pump()函数被称为生产者

解除通道阻塞

package main

import "fmt"
import "time"

func main() {
	ch1 := make(chan int)
	go pump(ch1)
	go suck(ch1)
	time.Sleep(1e9)
}

func pump(ch chan int) {
	for i := 0; ; i++ {
		ch <- i
	}
}

func suck(ch chan int) {
	for {
		fmt.Println(<-ch)
	}
}
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这里我们定义了一个suck函数,作为接收者,并给main协程一个1s的运行时间,于是,便产生了70W+的输出【TAT】。

通道死锁

通道两段互相阻塞对方,会形成死锁状态。Go运行时会检查并panic,停止程序。无缓冲通道会被阻塞。

package main

import "fmt"

func main() {
	out := make(chan int)
	out <- 2
	go f1(out)
}

func f1(in chan int) {
	fmt.Println(<-in)
}
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fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!
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显然在out <- 2的时候,由于没有接受者,主线程被阻塞。

同步通道

除了普通的无缓存通道外,还有一种特殊的带缓存通道——同步通道

buf := 100
ch1 := make(chan string, buf)
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buf是通道可以同时容纳的元素个数,即ch1的缓冲区大小,在buf满之前,通道都不会阻塞。

如果容量大于0,通道就是异步的:在缓冲满载或边控之前通信不会阻塞,元素会按照发送的顺序被接收。

同步:ch := make(chan type, value)

  • value ==0 --> synchronous, unbuffered(阻塞)
  • value > 0 --> asynchronous, buffered(非阻塞)取决于value元素

使用通道缓冲能使程序更具有伸缩性(scalable)。

尽量在首要位置使用无缓冲通道,只在不确定的情况下使用缓冲。

package main

import "fmt"
import "time"

func main() {
	c := make(chan int, 50)
	go func() {
		time.Sleep(15 * 1e9)
		x := <-c
		fmt.Println("received", x)
	}()
	fmt.Println("sending", 10)
	c <- 10
	fmt.Println("send", 10)
}

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信号量模式

func compute(ch chan int) {
    ch <- someComputation()
}

func main() {
    ch := make(chan int)
    go compute(ch)
    doSomethingElaseForAWhile()
    result := <-ch
}
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协程通过在通道ch中放置一个值来处理结束信号。main线程等待<-ch直到从中获取到值。

我们可以用它来处理切片排序:

done := make(chan bool)

doSort := func(s []int) {
    sort(s)
    done <- true
}
i := pivot(s)
go doSort(s[:i])
go doSort(s[i:])
<-done
<-done
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带缓冲通道实现信号量

信号量时实现互斥锁的常用同步机制,限制对资源的访问,解决读写问题。

  • 带缓冲通道的容量要和同步的资源容量相同
  • 通道的长度(当前存放的元素个数)与当前资源被使用的数量相同
  • 容量减去通道的长度等于未处理的资源个数
//创建一个长度可变但容量为0的通道
type Empty interface {}
type semaphore chan Empty
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初始化信号量

sem = make(semaphore, N)
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对信号量进行操作,建立互斥锁

func (s semaphore) P (n int) {
    e := new(Empty)
    for i := 0; i < n; i++ {
        s <- e
    }
}

func (a semaphore) V (n int) {
    for i := 0; i < n; i++ {
        <- s
    }
}

/* mutexes */
func (s semaphore) Lock() {
	s.P(1)
}

func (s semaphore) Unlock(){
	s.V(1)
}

/* signal-wait */
func (s semaphore) Wait(n int) {
	s.P(n)
}

func (s semaphore) Signal() {
	s.V(1)
}
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通道工厂模式

不将通道作为参数传递,而是在函数内生成一个通道,并返回。

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {
	stream := pump()
	go suck(stream)
	time.Sleep(1e9)
}

func pump() chan int {
	ch := make(chan int)
	go func() {
		for i := 0; ; i++ {
			ch <- i
		}
	}()
	return ch
}

func suck(ch chan int) {
	for {
		fmt.Println(<-ch)
	}
}
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通道使用for循环

for循环可以从ch中持续获取值,直到通道关闭。(这意味着必须有另一个协程写入ch,并且在写入完成后关闭)

for v := range ch {
    fmt.Println("The value is", v)
}
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package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {
	suck(pump())
	time.Sleep(1e9)
}

func pump() chan int {
	ch := make(chan int)
	go func() {
		for i := 0; ; i++ {
			ch <- i
		}
	}()
	return ch
}

func suck(ch chan int) {
	go func() {
		for v := range ch {
			fmt.Println(v)
		}
	}()
}
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通道的方向

通道可以表示它只发送或者只接受:

var send_only chan<- int    // channel can only send data
var recv_only <-chan int    // channel can only receive data
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只接收的通道(<-chan T)无法关闭,因为关闭通道是发送者用来表示不再给通道发送值,所以对只接收通道是没有意义的。

管道和选择器模式

借鉴一个经典的例子筛法求素数来学习这一内容。

这个算法的主要思想是,引入筛法(一种时间复杂度为O(x * ln(lnx))的算法),对一个给定返回的正整数从大到小排序,然后从中筛选掉所有的非素数,那么剩下的数中最小的就是素数,再去掉该数的倍数,以此类推。

假设一个范围为1~30的正整数集,已经从大到小排序。

第一遍筛掉非素数1,然后剩余数中最小的是2。

由于2是一个素数,将其取出,然后去掉所有2的倍数,那么剩下的数为:

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

剩下的数中3最小,且为素数,取出并去除所有3的倍数,循环直至所有数都筛完。

代码如下:

// 一般写法
package main

import (
	"fmt"
)

func generate(ch chan int) {
	for i := 2; i < 100; i++ {
		ch <- i
	}
}

func filter(in, out chan int, prime int) {
	for {
		i := <-in
		if i%prime != 0 {
			out <- i
		}
	}
}

func main() {
	ch := make(chan int)
	go generate(ch)
	for {
		prime := <-ch
		fmt.Print(prime, " ")
		ch1 := make(chan int)
		go filter(ch, ch1, prime)
		ch = ch1
	}
}
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// 习惯写法
package main

import (
	"fmt"
)

func generate() chan int {
	ch := make(chan int)
	go func() {
		for i := 2; ; i++ {
			ch <- i
		}
	}()
	return ch
}

func filter(in chan int, prime int) chan int {
	out := make(chan int)
	go func() {
		for {
			if i := <-in; i%prime != 0 {
				out <- i
			}
		}
	}()
	return out
}

func sieve() chan int {
	out := make(chan int)
	go func() {
		ch := generate()
		for {
			prime := <-ch
			ch = filter(ch, prime)
			out <- prime
		}
	}()
	return out
}

func main() {
	primes := sieve()
	for {
		fmt.Println(<-primes)
	}
}
复制代码
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