并发编程

进程（process）：程序在操作系统中的一次执行过程，系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

线程（thread）：操作系统基于进程开启的轻量级进程，是操作系统调度执行的最小单位。

协程（goroutine）：非操作系统提供而是由用户自行创建和控制的用户态‘线程’，比线程更轻量级。

业界将如何实现并发编程总结归纳为各式各样的并发模型，常见的并发模型有以下几种：

• 线程&锁模型
• Actor模型
• CSP模型
• Fork&Join模型
  Go语言中的并发程序主要是通过基于CSP（communicating sequential processes）的goroutine和channel来实现，当然也支持使用传统的多线程共享内存的并发方式。

goroutime

Goroutine 是 Go 语言支持并发的核心，在一个Go程序中同时创建成百上千个goroutine是非常普遍的，一个goroutine会以一个很小的栈开始其生命周期，一般只需要2KB。区别于操作系统线程由系统内核进行调度， goroutine 是由Go运行时（runtime）负责调度。例如Go运行时会智能地将 m个goroutine 合理地分配给n个操作系统线程，实现类似m:n的调度机制，不再需要Go开发者自行在代码层面维护一个线程池。

Goroutine 是 Go 程序中最基本的并发执行单元。每一个 Go 程序都至少包含一个 goroutine——main goroutine，当 Go 程序启动时它会自动创建。

在Go语言编程中你不需要去自己写进程、线程、协程，你的技能包里只有一个技能——goroutine，当你需要让某个任务并发执行的时候，你只需要把这个任务包装成一个函数，开启一个 goroutine 去执行这个函数就可以了，就是这么简单粗暴。

Go语言中使用 goroutine 非常简单，只需要在函数或方法调用前加上go关键字就可以创建一个 goroutine ，从而让该函数或方法在新创建的 goroutine 中执行。

go关键字

// 创建一个新的 goroutine 运行函数f
go f()  
//匿名函数也支持使用go关键字创建 goroutine 去执行。
go func(){
// ...
}()

启动单个goroutine(代码中 hello 函数和其后面的打印语句是串行的。)

package main

import (
    "fmt"
)

func hello() {
    fmt.Println("hello")
}

func main() {
    hello()
    fmt.Println("你好")
}

接下来我们在调用 hello 函数前面加上关键字go，也就是启动一个 goroutine 去执行 hello 这个函数。

func main() {
    go hello() // 启动另外一个goroutine去执行hello函数
    fmt.Println("main goroutine done!")
}

这一次的执行结果只在终端打印了”你好”，并没有打印 hello。这是为什么呢？

其实在 Go 程序启动时，Go 程序就会为 main 函数创建一个默认的 goroutine 。在上面的代码中我们在 main 函数中使用 go 关键字创建了另外一个 goroutine 去执行 hello 函数，而此时 main goroutine 还在继续往下执行，我们的程序中此时存在两个并发执行的 goroutine。当 main 函数结束时整个程序也就结束了，同时 main goroutine 也结束了，所有由 main goroutine 创建的 goroutine 也会一同退出。也就是说我们的 main 函数退出太快，另外一个 goroutine 中的函数还未执行完程序就退出了，导致未打印出“hello”。

main goroutine 就像是《权利的游戏》中的夜王，其他的 goroutine 都是夜王转化出的异鬼，夜王一死它转化的那些异鬼也就全部GG了。

所以我们要想办法让 main 函数‘“等一等”将在另一个 goroutine 中运行的 hello 函数。其中最简单粗暴的方式就是在 main 函数中“time.Sleep”一秒钟了（这里的1秒钟只是我们为了保证新的 goroutine 能够被正常创建和执行而设置的一个值）。

按如下方式修改我们的示例代码。

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func hello() {
    fmt.Println("hello")
}

func main() {
    go hello()
    fmt.Println("你好")
    time.Sleep(time.Second)
}

在上面的程序中使用time.Sleep让 main goroutine 等待 hello goroutine执行结束是不优雅的，当然也是不准确的。

Go 语言中通过sync包为我们提供了一些常用的并发原语，我们会在后面的小节单独介绍sync包中的内容。在这一小节，我们会先介绍一下 sync 包中的WaitGroup。当你并不关心并发操作的结果或者有其它方式收集并发操作的结果时，WaitGroup是实现等待一组并发操作完成的好方法。

下面的示例代码中我们在 main goroutine 中使用sync.WaitGroup来等待 hello goroutine 完成后再退出。

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

// 声明全局等待组变量
var wg sync.WaitGroup

func hello() {
    fmt.Println("hello")
    wg.Done() // 告知当前goroutine完成
}

func main() {
    wg.Add(1) // 登记1个goroutine
    go hello()
    fmt.Println("你好")
    wg.Wait() // 阻塞等待登记的goroutine完成
}

将代码编译后再执行，得到的输出结果和之前一致，但是这一次程序不再会有多余的停顿，hello goroutine 执行完毕后程序直接退出。

启动多个goroutine

在 Go 语言中实现并发就是这样简单，我们还可以启动多个 goroutine 。让我们再来看一个新的代码示例。这里同样使用了sync.WaitGroup来实现 goroutine 的同步。

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

var wg sync.WaitGroup

func hello(i int) {
    defer wg.Done() // goroutine结束就登记-1
    fmt.Println("hello", i)
}
func main() {
    for i := 0; i < 10; i++ {
        wg.Add(1) // 启动一个goroutine就登记+1
        go hello(i)
    }
    wg.Wait() // 等待所有登记的goroutine都结束
}

多次执行上面的代码会发现每次终端上打印数字的顺序都不一致。这是因为10个 goroutine 是并发执行的，而 goroutine 的调度是随机的。

动态栈

操作系统的线程一般都有固定的栈内存（通常为2MB）,而 Go 语言中的 goroutine 非常轻量级，一个 goroutine 的初始栈空间很小（一般为2KB），所以在 Go 语言中一次创建数万个 goroutine 也是可能的。并且 goroutine 的栈不是固定的，可以根据需要动态地增大或缩小， Go 的 runtime 会自动为 goroutine 分配合适的栈空间。
goroutine的栈大小限制可以达到1GB

goroutine调度

操作系统内核在调度时会挂起当前正在执行的线程并将寄存器中的内容保存到内存中，然后选出接下来要执行的线程并从内存中恢复该线程的寄存器信息，然后恢复执行该线程的现场并开始执行线程。从一个线程切换到另一个线程需要完整的上下文切换。因为可能需要多次内存访问，索引这个切换上下文的操作开销较大，会增加运行的cpu周期。

区别于操作系统内核调度操作系统线程，goroutine 的调度是Go语言运行时（runtime）层面的实现，是完全由 Go 语言本身实现的一套调度系统——go scheduler。它的作用是按照一定的规则将所有的 goroutine 调度到操作系统线程上执行。

在经历数个版本的迭代之后，目前 Go 语言的调度器采用的是 GPM 调度模型。

其中：

• G：表示 goroutine，每执行一次go f()就创建一个 G，包含要执行的函数和上下文信息。

全局队列（Global Queue）：存放等待运行的 G。

• M：线程想运行任务就得获取 P，从 P 的本地队列获取 G，当 P 的本地队列为空时，M 也会尝试从全局队列或其他 P 的本地队列获取 G。M 运行 G，G 执行之后，M 会从 P 获取下一个 G，不断重复下去。
• P：表示 goroutine执行所需的资源，最多有 GOMAXPROCS 个。

P 的本地队列：同全局队列类似，存放的也是等待运行的G，存的数量有限，不超过256个。新建 G 时，G 优先加入到 P 的本地队列，如果本地队列满了会批量移动部分 G 到全局队列。

Goroutine 调度器和操作系统调度器是通过 M 结合起来的，每个 M 都代表了1个内核线程，操作系统调度器负责把内核线程分配到 CPU 的核上执行。

单从线程调度讲，Go语言相比起其他语言的优势在于OS线程是由OS内核来调度的， goroutine 则是由Go运行时（runtime）自己的调度器调度的，完全是在用户态下完成的， 不涉及内核态与用户态之间的频繁切换，包括内存的分配与释放，都是在用户态维护着一块大的内存池， 不直接调用系统的malloc函数（除非内存池需要改变），成本比调度OS线程低很多。 另一方面充分利用了多核的硬件资源，近似的把若干goroutine均分在物理线程上， 再加上本身 goroutine 的超轻量级，以上种种特性保证了 goroutine 调度方面的性能。

golang runtime是有个sysmon的协程，他会轮询的检测所有的P上下文队列，只要 G-M 的线程长时间在阻塞状态，那么就重新创建一个线程去从runtime P队列里获取任务。先前的阻塞的线程会被游离出去了，当他完成阻塞操作后会触发相关的callback回调，并加入回线程组里。简单说，如果你没有特意配置runtime.SetMaxThreads，那么在没有可复用的线程的情况下，会一直创建新线程。

GOMAXPROCS

我们知道可以通过runtime.GOMAXPROCS()来了设定P的值

Go 1.5开始， Go的GOMAXPROCS默认值已经设置为 CPU的核数， 这允许我们的Go程序充分使用机器的每一个CPU,最大程度的提高我们程序的并发性能。

但其实对于IO密集型的场景，我们可以把GOMAXPROCS的值超过CPU核数，在笔者维护的某个服务中，将GOMAXPROCS设为CPU核数的2倍，压测结果表明，吞吐能力大概能提升10%

runtime.GOMAXPROCS(1) // 代表只用一个CPU核去跑下面的代码

channel

单纯地将函数并发执行是没有意义的。函数与函数间需要交换数据才能体现并发执行函数的意义。

虽然可以使用共享内存进行数据交换，但是共享内存在不同的 goroutine 中容易发生竞态问题。为了保证数据交换的正确性，很多并发模型中必须使用互斥量对内存进行加锁，这种做法势必造成性能问题。

Go语言采用的并发模型是CSP（Communicating Sequential Processes），提倡通过通信共享内存而不是通过共享内存而实现通信。
如果说 goroutine 是Go程序并发的执行体，channel就是它们之间的连接。channel是可以让一个 goroutine 发送特定值到另一个 goroutine 的通信机制。

Go 语言中的通道（channel）是一种特殊的类型。通道像一个传送带或者队列，总是遵循先入先出（First In First Out）的规则，保证收发数据的顺序。每一个通道都是一个具体类型的导管，也就是声明channel的时候需要为其指定元素类型。

channel类型

channel是 Go 语言中一种特有的类型。声明通道类型变量的格式如下：

var 变量名称 chan 元素类型

其中：

• chan：是关键字

• 元素类型：是指通道中传递元素的类型

  var ch1 chan int   // 声明一个传递整型的通道
  var ch2 chan bool  // 声明一个传递布尔型的通道
  var ch3 chan []int // 声明一个传递int切片的通道

channel零值

未初始化的通道类型变量其默认零值是nil。

var ch chan int
fmt.Println(ch) // <nil>

初始化channel

make(chan 元素类型, [缓冲大小])

• channel的缓冲大小是可选的。
  举几个例子：

  ch4 := make(chan int)
  ch5 := make(chan bool, 1)  // 声明一个缓冲区大小为1的通道

channel操作

通道共有发送（send）、接收(receive）和关闭（close）三种操作。而发送和接收操作都使用<-符号。

现在我们先使用以下语句定义一个通道：

ch := make(chan int)

发送

将一个值发送到通道中。

ch <- 10 // 把10发送到ch中

接收

从一个通道中接收值。

x := <- ch // 从ch中接收值并赋值给变量x
<-ch       // 从ch中接收值，忽略结果

关闭

我们通过调用内置的close函数来关闭通道。
通道关闭后，仍然可以进行读操作，但不可以进行写操作。

close(ch)

注意：一个通道值是可以被垃圾回收掉的。通道通常由发送方执行关闭操作，并且只有在接收方明确等待通道关闭的信号时才需要执行关闭操作。它和关闭文件不一样，通常在结束操作之后关闭文件是必须要做的，但关闭通道不是必须的。

关闭后的通道有以下特点：

对一个关闭的通道再发送值就会导致 panic。
对一个关闭的通道进行接收会一直获取值直到通道为空。
对一个关闭的并且没有值的通道执行接收操作会得到对应类型的零值。
关闭一个已经关闭的通道会导致 panic。

无缓冲的通道

无缓冲的通道又称为阻塞的通道。我们来看一下如下代码片段。

func main() {
    ch := make(chan int)
    ch <- 10
    fmt.Println("发送成功")
}

上面这段代码能够通过编译，但是执行的时候会出现以下错误：

fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

goroutine 1 [chan send]:
main.main()
        .../main.go:8 +0x54

deadlock表示我们程序中的 goroutine 都被挂起导致程序死锁了。为什么会出现deadlock错误呢？

因为我们使用ch := make(chan int)创建的是无缓冲的通道，无缓冲的通道只有在有接收方能够接收值的时候才能发送成功，否则会一直处于等待发送的阶段。同理，如果对一个无缓冲通道执行接收操作时，没有任何向通道中发送值的操作那么也会导致接收操作阻塞。就像田径比赛中的4x100接力赛，想要完成交棒必须有一个能够接棒的运动员，否则只能等待。简单来说就是无缓冲的通道必须有至少一个接收方才能发送成功。

上面的代码会阻塞在ch <- 10这一行代码形成死锁，那如何解决这个问题呢？

其中一种可行的方法是创建一个 goroutine 去接收值，例如：

func recv(c chan int) {
    ret := <-c
    fmt.Println("接收成功", ret)
}

func main() {
    ch := make(chan int)
    go recv(ch) // 创建一个 goroutine 从通道接收值
    ch <- 10
    fmt.Println("发送成功")
}

首先无缓冲通道ch上的发送操作会阻塞，直到另一个 goroutine 在该通道上执行接收操作，这时数字10才能发送成功，两个 goroutine 将继续执行。相反，如果接收操作先执行，接收方所在的 goroutine 将阻塞，直到 main goroutine 中向该通道发送数字10。

使用无缓冲通道进行通信将导致发送和接收的 goroutine 同步化。因此，无缓冲通道也被称为同步通道。

有缓冲的通道

还有另外一种解决上面死锁问题的方法，那就是使用有缓冲区的通道。我们可以在使用 make 函数初始化通道时，可以为其指定通道的容量，例如：

func main() {
    ch := make(chan int, 1) // 创建一个容量为1的有缓冲区通道
    ch <- 10
    fmt.Println("发送成功")
}

只要通道的容量大于零，那么该通道就属于有缓冲的通道，通道的容量表示通道中最大能存放的元素数量。当通道内已有元素数达到最大容量后，再向通道执行发送操作就会阻塞，除非有从通道执行接收操作。就像你小区的快递柜只有那么个多格子，格子满了就装不下了，就阻塞了，等到别人取走一个快递员就能往里面放一个。

我们可以使用内置的len函数获取通道内元素的数量，使用cap函数获取通道的容量，虽然我们很少会这么做。

多返回值模式

当向通道中发送完数据时，我们可以通过close函数来关闭通道。当一个通道被关闭后，再往该通道发送值会引发panic，从该通道取值的操作会先取完通道中的值。通道内的值被接收完后再对通道执行接收操作得到的值会一直都是对应元素类型的零值。那我们如何判断一个通道是否被关闭了呢？

对一个通道执行接收操作时支持使用如下多返回值模式。

value, ok := <- ch

其中：

• value：从通道中取出的值，如果通道被关闭则返回对应类型的零值。
• ok：通道ch关闭时返回 false，否则返回 true。

下面代码片段中的f2函数会循环从通道ch中接收所有值，直到通道被关闭后退出。

func f2(ch chan int) {
    for {
        v, ok := <-ch
        if !ok {
            fmt.Println("通道已关闭")
            break
        }
        fmt.Printf("v:%#v ok:%#v\n", v, ok)
    }
}

func main() {
    ch := make(chan int, 2)
    ch <- 1
    ch <- 2
    close(ch)
    f2(ch)
}

for range接收值

通常我们会选择使用for range循环从通道中接收值，当通道被关闭后，会在通道内的所有值被接收完毕后会自动退出循环。上面那个示例我们使用for range改写后会很简洁。

通常我们会选择使用for range循环从通道中接收值，当通道被关闭后，会在通道内的所有值被接收完毕后会自动退出循环。上面那个示例我们使用for range改写后会很简洁。

注意：目前Go语言中并没有提供一个不对通道进行读取操作就能判断通道是否被关闭的方法。不能简单的通过len(ch)操作来判断通道是否被关闭。

单向通道

在某些场景下我们可能会将通道作为参数在多个任务函数间进行传递，通常我们会选择在不同的任务函数中对通道的使用进行限制，比如限制通道在某个函数中只能执行发送或只能执行接收操作。想象一下，我们现在有Producer和Consumer两个函数，其中Producer函数会返回一个通道，并且会持续将符合条件的数据发送至该通道，并在发送完成后将该通道关闭。而Consumer函数的任务是从通道中接收值进行计算，这两个函数之间通过Processer函数返回的通道进行通信。完整的示例代码如下。

package main

import (
    "fmt"
)

// Producer 返回一个通道
// 并持续将符合条件的数据发送至返回的通道中
// 数据发送完成后会将返回的通道关闭
func Producer() chan int {
    ch := make(chan int, 2)
    // 创建一个新的goroutine执行发送数据的任务
    go func() {
        for i := 0; i < 10; i++ {
            if i%2 == 1 {
                ch <- i
            }
        }
        close(ch) // 任务完成后关闭通道
    }()

    return ch
}

// Consumer 从通道中接收数据进行计算
func Consumer(ch chan int) int {
    sum := 0
    for v := range ch {
        sum += v
    }
    return sum
}

func main() {
    ch := Producer()

    res := Consumer(ch)
    fmt.Println(res) // 25

}

从上面的示例代码中可以看出正常情况下Consumer函数中只会对通道进行接收操作，但是这不代表不可以在Consumer函数中对通道进行发送操作。作为Producer函数的提供者，我们在返回通道的时候可能只希望调用方拿到返回的通道后只能对其进行接收操作。但是我们没有办法阻止在Consumer函数中对通道进行发送操作。

Go语言中提供了单向通道来处理这种需要限制通道只能进行某种操作的情况。

<- chan int // 只接收通道，只能接收不能发送
chan <- int // 只发送通道，只能发送不能接收

其中，箭头<-和关键字chan的相对位置表明了当前通道允许的操作，这种限制将在编译阶段进行检测。另外对一个只接收通道执行close也是不允许的，因为默认通道的关闭操作应该由发送方来完成。

我们使用单向通道将上面的示例代码进行如下改造

// Producer2 返回一个接收通道
func Producer2() <-chan int {
    ch := make(chan int, 2)
    // 创建一个新的goroutine执行发送数据的任务
    go func() {
        for i := 0; i < 10; i++ {
            if i%2 == 1 {
                ch <- i
            }
        }
        close(ch) // 任务完成后关闭通道
    }()

    return ch
}

// Consumer2 参数为接收通道
func Consumer2(ch <-chan int) int {
    sum := 0
    for v := range ch {
        sum += v
    }
    return sum
}

func main() {
    ch2 := Producer2()
  
    res2 := Consumer2(ch2)
    fmt.Println(res2) // 25
}

这一次，Producer函数返回的是一个只接收通道，这就从代码层面限制了该函数返回的通道只能进行接收操作，保证了数据安全。很多读者看到这个示例可能会觉着这样的限制是多余的，但是试想一下如果Producer函数可以在其他地方被其他人调用，你该如何限制他人不对该通道执行发送操作呢？并且返回限制操作的单向通道也会让代码语义更清晰、更易读。

在函数传参及任何赋值操作中全向通道（正常通道）可以转换为单向通道，但是无法反向转换。

var ch3 = make(chan int, 1)
ch3 <- 10
close(ch3)
Consumer2(ch3) // 函数传参时将ch3转为单向通道

var ch4 = make(chan int, 1)
ch4 <- 10
var ch5 <-chan int // 声明一个只接收通道ch5
ch5 = ch4          // 变量赋值时将ch4转为单向通道
<-ch5