第7章 并发

并发是Go语言的核心部分。与许多其他通过丰富的多线程库来支持并发的语言不同，Go语言仅提供了少量语言原语用于编写并发程序。

首先要强调的是，并发（Concurrency）不等于并行（Parallelism）。并发关注的是如何编写程序；而并行关注的是程序如何运行。一个并发程序会指明程序的哪些部分可以并行运行。根据实际的执行情况，程序的并发部分可能顺序执行，也可能并行执行。一个正确的并发程序，无论以何种方式运行，都会产生相同的结果。

本章将通过方法示例介绍一些Go语言的并发原语。在本章中，你将学习以下内容：

• 创建goroutine
• 并发运行多个独立函数并等待它们结束
• 使用通道（channels）发送和接收数据
• 从多个goroutine向通道发送数据
• 使用通道收集并发计算的结果
• 使用select语句处理多个通道
• 取消一个goroutine
• 使用非阻塞的select检测取消操作
• 并发更新共享变量

使用goroutine并发执行任务

goroutine是一种能与其他goroutine并发运行的函数。当一个程序启动时，Go运行时会创建几个goroutine。其中一个goroutine运行垃圾回收器，另一个goroutine运行main函数。随着程序的执行，它会根据需要创建更多的goroutine。

一个典型的Go程序可能会有数千个goroutine同时运行。Go运行时会将这些goroutine调度到操作系统线程上。每个操作系统线程会被分配一定数量的goroutine，并通过时间分片的方式来运行它们。在任何给定时刻，活动的goroutine数量最多可以和逻辑处理器的数量相同，计算方式为：每个核心的线程数×每个CPU的核心数×CPU的数量。

创建goroutine

goroutine是Go语言不可或缺的一部分。你可以使用go关键字来创建goroutine。

如何操作...

在函数调用前使用go关键字来创建goroutine：

func f() {
	// 执行一些工作
}

func main() {
	go f()
	
    ...
}

当go f()被求值时，运行时会创建一个新的goroutine并调用f函数。运行main函数的goroutine也会继续运行。换句话说，当go关键字被求值时，程序执行会分裂为两个并发的执行流：一个是原始的执行流（在前面的示例中，就是运行main函数的执行流），另一个则运行go关键字后面的函数。

如果有需要，函数可以接受参数：

func f(i int) {
	// 执行一些工作
}

func main() { 
	var x int
	go f(x)
	
    ...
}

在goroutine启动前，函数的参数会先被求值。也就是说，主goroutine会先对f函数的参数（在这个例子中是x的值）进行求值，然后创建一个新的goroutine并运行f函数。

使用闭包来运行goroutine是一种常见的做法。闭包提供了理解代码所需的上下文，还能避免将大量变量作为参数传递给goroutine：

func main() {
    var x int
    var y int
    
    ...
    
    go func(i int) {
        if y > 0 {
        // 执行一些工作
        }
    }(x)
    
    ...
}

在前面的代码中，x作为参数传递给了goroutine，而y则被闭包捕获。当go关键字运行的函数结束时，goroutine也会终止。

并发运行多个独立函数并等待它们完成

当你有多个不共享数据的独立函数时，可以使用本方法来并发运行它们。我们还将使用sync.WaitGroup来等待goroutine完成。

如何操作...

1. 创建一个sync.WaitGroup实例来等待goroutine：

wg := sync.WaitGroup{}

sync.WaitGroup实际上就是一个线程安全的计数器。我们为创建的每个goroutine调用wg.Add(1)，每当一个goroutine结束时，调用wg.Done()来减1。然后我们可以等待sync.WaitGroup的值变为零，这表明所有的goroutine都已终止。 2. 对于每个要并发运行的函数，执行以下操作： - 对等待组加1 - 启动一个新的goroutine - 调用defer wg.Done()以确保能标记goroutine已结束

wg.Add(1)
go func() {
	defer wg.Done()
	// 执行工作
}()

提示 你不必为每个goroutine单独对等待组加1，而是可以直接加上goroutine的总数。例如，如果你知道要创建5个goroutine，可以在创建第一个goroutine之前直接执行wg.Add(5)。

3. 等待goroutine结束：

wg.Wait()

这个调用会阻塞，直到wg的值变为零，即直到所有的goroutine都调用了wg.Done()。 4. 现在，你可以使用所有goroutine的结果了。

这个方法的关键细节在于，所有goroutine都是独立的，这意味着：在调用wg.Done()之前，每个goroutine写入的所有变量都仅由该goroutine使用。goroutine可以读取共享变量，但不能写入共享变量。在调用wg.Done()之后，所有goroutine都已终止，它们写入的变量就可以使用了。 5. 任何一个goroutine都不依赖于其他goroutine的结果。

在调用wg.Wait()之前，你不应尝试读取某个goroutine的结果，否则会出现内存竞争（memory race），导致未定义行为。

当你与其他写入或读取操作并发地写入一个共享变量时，就会发生内存竞争。包含内存竞争的程序，其运行结果是未定义的。

使用通道在goroutine之间进行通信

通常情况下，多个goroutine需要进行通信和协调，以分配工作、管理状态并整理计算结果。通道是实现这一目的的首选机制。通道是一种同步机制，它有一个可选的固定大小的缓冲区。

使用通道发送和接收数据

如果有另一个goroutine正在等待从通道接收数据，或者对于有缓冲区的通道而言，通道缓冲区还有可用空间，那么一个goroutine就可以向通道发送数据，否则，发送操作会被阻塞，直到可以发送为止。

如果有另一个goroutine正在等待向通道发送数据，或者对于有缓冲区的通道而言，通道缓冲区中有数据，那么一个goroutine就可以从通道接收数据，否则，接收操作会被阻塞，直到可以接收为止。

如何操作...

1. 创建一个通道，并指定它要传递的数据类型。以下示例创建了一个可以传递字符串的通道：

ch := make(chan string)

2. 在一个goroutine中，向通道发送数据元素。当所有数据元素都发送完毕后，关闭通道：

go func() {
    for _, str := range stringData {
        // 将字符串发送到通道。这会阻塞，直到另一个goroutine可以从通道接收数据。
        ch <- str
	}
    
    // 发送完毕后关闭通道。这是向接收方goroutine发出信号，表明没有更多数据了。
    close(ch)
}()

3. 在另一个goroutine中从通道接收数据。在下面的示例中，主goroutine从通道接收字符串并打印出来。当通道关闭时，for循环结束：

for str := range ch {
	fmt.Println(str)
}

从多个goroutine向通道发送数据

在某些情况下，你可能有许多goroutine在处理一个问题的不同部分，当它们完成时，会通过一个通道发送结果。这种情况下的一个问题是如何确定何时关闭通道。本方法展示了具体做法。

如何操作...

1. 创建结果通道，并指定它要传递的数据类型：

ch := make(chan string)

2. 创建监听器goroutine和一个等待组，以便稍后等待它完成。这个goroutine会被阻塞，直到其他goroutine开始发送数据：

// 用于存储结果
results := make([]string,0)
// 等待组，用于稍后等待监听器goroutine结束
listenerWg := sync.WaitGroup{}
listenerWg.Add(1)
go func() {
    defer listenerWg.Done()
    
    // 收集结果并存储在切片中
    for str:=range ch {
    	results = append(results, str)
    }
}()

3. 创建一个等待组来跟踪要向结果通道写入数据的goroutine。然后，创建向通道发送数据的goroutine：

wg := sync.WaitGroup{}
for _,input := range inputs {
    wg.Add(1)
    
    go func(data string) {
        defer wg.Done()
        ch <- processInput(data)
    }(input)
}

4. 等待处理数据的goroutine结束，并关闭结果通道：

// 等待所有goroutine结束
wg.Wait()

// 关闭通道，表明数据发送结束
// 这会向监听器goroutine发出信号，表明不会再有数据通过该通道到达
close(ch)

5. 等待监听器goroutine结束：

listenerWg.Wait()

现在你可以使用results切片了。

使用通道收集并发计算的结果

通常，你会有多个goroutine分别处理一个问题的不同部分，你需要收集每个goroutine的结果，以组合成一个最终的结果对象。通道是实现这一目的的理想机制。

操作方法……

1. 创建一个通道来收集计算结果：

resultCh := make(chan int)

在这个例子中，resultCh通道是一个int类型值的通道。也就是说，计算结果将是整数。 2. 创建一个sync.WaitGroup实例来等待goroutine完成：

wg := sync.WaitGroup{}

3. 在goroutine之间分配工作。每个goroutine都应该能够访问resultCh。将每个goroutine添加到等待组中，并确保在goroutine中调用defer wg.Done()。
4. 在goroutine中执行计算，并将结果发送到resultCh：

var inputs [][]int = []int{...}

...

for i := range inputs {
    wg.Add(1)
    go func(data []int) {
        defer wg.Done()
        // 执行计算
        // computeResult接收一个[]int，并返回int
        // 将结果发送到resultCh
        resultCh <- computeResult(data)
    }(inputs[i])
}

5. 在这里，你需要做两件事：等待所有goroutine完成，并从resultCh收集结果。有两种方法可以做到这一点：

   • 在等待goroutine并发结束的同时收集结果。也就是说，创建一个goroutine并等待其他goroutine结束。当所有goroutine完成后，关闭通道：

   go func() {
       // 等待goroutine结束
       wg.Wait()
       // 当所有goroutine完成后，关闭通道
       close(resultCh)
   }()
   
   // 创建一个切片来存储计算结果
   results := make([]int, 0)
   
   // 从resultCh收集结果
   // 当resultCh关闭时，for循环将终止
   for result := range resultCh {
       results = append(results, result)
   }
   

   • 在等待goroutine结束的同时异步收集结果。当所有goroutine完成后，关闭通道。然而，当你关闭通道时，收集结果的goroutine可能仍在运行。我们也必须等待那个goroutine结束。为此，我们可以使用另一个等待组：

   results := make([]int, 0)
   // 为结果收集goroutine创建一个新的等待组
   collectWg := sync.WaitGroup{}
   // 将收集结果的goroutine添加到等待组
   collectWg.Add(1)
   go func() {
       // 宣布这个goroutine完成
       defer collectWg.Done()
       // 收集结果。当resultCh关闭时，for循环将终止。
       for result := range resultCh {
           results = append(results, result)
       }
   }()
   
   // 等待goroutine结束。
   wg.Wait()
   // 关闭通道，以便结果收集goroutine可以完成
   close(resultCh)
   // 现在等待结果收集goroutine完成
   collectWg.Wait()
   // results切片已准备好
   

使用select语句处理多个通道

在任何给定时间，你只能向通道发送数据或从通道接收数据。如果你要与多个goroutine交互（因此会涉及多个并发事件），就需要一种语言结构，让你能够同时与多个通道进行交互。这种结构就是select语句。本节将展示如何使用select语句。

操作方法……

阻塞式的select语句会从零个或多个情况中选择一个活动的情况。每个情况都是一个通道发送或通道接收事件。如果没有活动的情况（即没有任何通道可以进行发送或接收操作），select语句就会阻塞。

在下面的例子中，select语句等待从两个通道之一接收数据。程序只会从其中一个通道接收数据。如果两个通道都已准备好，会随机选择其中一个通道。另一个通道将不会被读取：

ch1 := make(chan int)
ch2 := make(chan int)

go func() {
    ch1 <- 1
}()

go func() {
    ch2 <- 2
}()

select {
case data1 := <-ch1:
    fmt.Println("Read from channel 1: %v", data1)
    
case data2 := <-ch2:
    fmt.Println("Read from channel 2: %v", data2)
}

取消goroutine

在Go语言中创建goroutine既简单又高效，但你还必须确保goroutine最终能够结束。如果一个goroutine无意中一直运行，就称为“泄漏”的goroutine。如果一个程序不断泄漏goroutine，最终会因内存不足错误而崩溃。

有些goroutine执行有限数量的操作后会自然终止，但有些会无限期运行，直到收到外部刺激。长期运行的goroutine接收这种刺激的常见模式是使用一个done通道。

操作方法……

1. 创建一个数据类型为空的done通道：

done := make(chan struct{})

2. 创建一个通道为goroutine提供输入：

input := make(chan int)

3. 创建如下的goroutine：

go func() {
    for {
        select {
        case data := <-input:
            // 处理数据
            
        case <-done:
            // 完成信号。终止
            return
        }
    }
}()

要取消goroutine，只需关闭done通道：

close(done)

这将使所有监听done通道的goroutine中的case <-done分支生效，它们将终止运行。

使用非阻塞的select检测取消操作

非阻塞的select有一个default情况。当select语句运行时，它会检查所有可用的情况，如果没有一个情况可用，就会选择default情况。这使得select可以继续执行而不会阻塞。

操作方法……

1. 创建一个数据类型为空的done通道：

done := make(chan struct{})

2. 创建如下的goroutine：

go func() {
    for {
        select {
        case <-done:
            // 完成信号。终止
            return
            
        default:
            // 未收到完成信号。继续
        }
        // 执行工作
    }
}()

要取消goroutine，只需关闭done通道：

close(done)

共享内存

Go语言中最著名的习惯用法之一是：“不要通过共享内存来通信，而要通过通信来共享内存”。通道用于通过通信来共享内存。而通过共享内存进行通信是在多个goroutine中使用共享变量来实现的。尽管不鼓励这种做法，但在很多情况下，共享内存比通道更合理。如果至少有一个goroutine更新了其他goroutine会读取的共享变量，就必须确保不会出现内存竞争（memory race）。

当一个goroutine在另一个goroutine读取某个变量的同时并发更新该变量时，就会发生内存竞争。发生这种情况时，无法保证其他goroutine能看到对该变量的更新。这种情况的一个经典例子是忙等待循环：

func main() {
    done := false
    go func() {
        // 当done为false时等待
        for!done {}
        fmt.Println("Done is true now")
    }()
    
    done = true
    
    // 无限期等待
    select {}
}

这个程序存在内存竞争。done=true的赋值操作与for!done循环是并发的。这意味着，即使主goroutine执行了done=true，读取done的goroutine可能永远看不到这个更新，从而无限期地停留在for循环中。

并发更新共享变量

Go语言的内存模型保证，变量写入的效果仅对该goroutine中在写入之后的指令可见。也就是说，如果你更新了一个共享变量，必须使用特殊工具，使这个更新对其他goroutine可见。一种简单的确保方法是使用互斥锁（mutex）。Mutex代表“互斥（mutual exclusion）”。互斥锁是一种工具，可用于确保以下两点：

• 在任何给定时间，只有一个goroutine可以更新变量。
• 一旦更新完成并释放互斥锁，所有goroutine都能看到这个更新。在本方法中，我们将展示如何实现这一点。

操作方法……

程序中更新共享变量的部分称为“临界区（critical section）”。你可以使用互斥锁确保只有一个goroutine能够进入其临界区。

声明一个互斥锁来保护临界区：

// cacheMutex将用于保护对cache的访问
var cacheMutex sync.Mutex
var cache map[string]any = map[string]any{}

互斥锁保护一组共享变量。例如，如果你有一些goroutine会更新一个整数，就需要为更新该整数的临界区声明一个互斥锁。每次读取或写入该整数值时，都必须使用相同的互斥锁。

在更新共享变量时，首先锁定互斥锁，然后执行更新操作，最后解锁互斥锁：

cacheMutex.Lock()
cache[key] = value
cacheMutex.Unlock()

通过上述代码，如果多个goroutine尝试更新cache，它们将在cacheMutex.Lock()处排队，每次只允许一个goroutine进行操作。当这个goroutine完成更新后，会调用cacheMutex.Unlock()，这将使一个等待的goroutine能够获取锁并再次更新cache。

在读取共享变量时，首先锁定互斥锁，然后执行读取操作，最后解锁互斥锁：

cacheMutex.Lock()
cachedValue, cached := cache[key] 
cacheMutex.Unlock()
if cached {
    // 在缓存中找到值
}