Go 专栏｜并发编程：goroutine，channel 和 sync

优雅的并发编程范式，完善的并发支持，出色的并发性能是 Go 语言区别于其他语言的一大特色。

在当今这个多核时代，并发编程的意义不言而喻。使用 Go 开发并发程序，操作起来非常简单，语言级别提供关键字 go 用于启动协程，并且在同一台机器上可以启动成千上万个协程。

下面就来详细介绍。

goroutine

Go 语言的并发执行体称为 goroutine，使用关键词 go 来启动一个 goroutine。

go 关键词后面必须跟一个函数，可以是有名函数，也可以是无名函数，函数的返回值会被忽略。

go 的执行是非阻塞的。

先来看一个例子：

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func main() {
    go spinner(100 * time.Millisecond)
    const n = 45
    fibN := fib(n)
    fmt.Printf("\rFibonacci(%d) = %d\n", n, fibN) // Fibonacci(45) = 1134903170
}

func spinner(delay time.Duration) {
    for {
        for _, r := range `-\|/` {
            fmt.Printf("\r%c", r)
            time.Sleep(delay)
        }
    }
}

func fib(x int) int {
    if x < 2 {
        return x
    }
    return fib(x-1) + fib(x-2)
}

从执行结果来看，成功计算出了斐波那契数列的值，说明程序在 spinner 处并没有阻塞，而且 spinner 函数还一直在屏幕上打印提示字符，说明程序正在执行。

当计算完斐波那契数列的值，main 函数打印结果并退出，spinner 也跟着退出。

再来看一个例子，循环执行 10 次，打印两个数的和：

package main

import "fmt"

func Add(x, y int) {
    z := x + y
    fmt.Println(z)
}

func main() {
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go Add(i, i)
    }
}

有问题了，屏幕上什么都没有，为什么呢？

这就要看 Go 程序的执行机制了。当一个程序启动时，只有一个 goroutine 来调用 main 函数，称为主 goroutine。新的 goroutine 通过 go 关键词创建，然后并发执行。当 main 函数返回时，不会等待其他 goroutine 执行完，而是直接暴力结束所有 goroutine。

那有没有办法解决呢？当然是有的，请往下看。

channel

一般写多进程程序时，都会遇到一个问题：进程间通信。常见的通信方式有信号，共享内存等。goroutine 之间的通信机制是通道 channel。

使用 make 创建通道：

ch := make(chan int) // ch 的类型是 chan int

通道支持三个主要操作：send，receive 和 close。

ch <- x // 发送
x = <-ch // 接收
<-ch // 接收，丢弃结果

close(ch) // 关闭

无缓冲 channel

make 函数接受两个参数，第二个参数是可选参数，表示通道容量。不传或者传 0 表示创建了一个无缓冲通道。

无缓冲通道上的发送操作将会阻塞，直到另一个 goroutine 在对应的通道上执行接收操作。相反，如果接收先执行，那么接收 goroutine 将会阻塞，直到另一个 goroutine 在对应通道上执行发送。

所以，无缓冲通道是一种同步通道。

下面我们使用无缓冲通道把上面例子中出现的问题解决一下。

package main

import "fmt"

func Add(x, y int, ch chan int) {
    z := x + y
    ch <- z
}

func main() {

    ch := make(chan int)
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go Add(i, i, ch)
    }

    for i := 0; i < 10; i++ {
        fmt.Println(<-ch)
    }
}

可以正常输出结果。

主 goroutine 会阻塞，直到读取到通道中的值，程序继续执行，最后退出。

缓冲 channel

创建一个容量是 5 的缓冲通道：

ch := make(chan int, 5)

缓冲通道的发送操作在通道尾部插入一个元素，接收操作从通道的头部移除一个元素。如果通道满了，发送会阻塞，直到另一个 goroutine 执行接收。相反，如果通道是空的，接收会阻塞，直到另一个 goroutine 执行发送。

有没有感觉，其实缓冲通道和队列一样，把操作都解耦了。

单向 channel

类型 chan<- int 是一个只能发送的通道，类型 <-chan int 是一个只能接收的通道。

任何双向通道都可以用作单向通道，但反过来不行。

还有一点需要注意，close 只能用在发送通道上，如果用在接收通道会报错。

看一个单向通道的例子：

package main

import "fmt"

func counter(out chan<- int) {
    for x := 0; x < 10; x++ {
        out <- x
    }
    close(out)
}

func squarer(out chan<- int, in <-chan int) {
    for v := range in {
        out <- v * v
    }
    close(out)
}

func printer(in <-chan int) {
    for v := range in {
        fmt.Println(v)
    }
}

func main() {
    n := make(chan int)
    s := make(chan int)

    go counter(n)
    go squarer(s, n)
    printer(s)

}

sync

sync 包提供了两种锁类型：sync.Mutex 和 sync.RWMutex，前者是互斥锁，后者是读写锁。

当一个 goroutine 获取了 Mutex 后，其他 goroutine 不管读写，只能等待，直到锁被释放。

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

func main() {
    var mutex sync.Mutex
    wg := sync.WaitGroup{}

    // 主 goroutine 先获取锁
    fmt.Println("Locking  (G0)")
    mutex.Lock()
    fmt.Println("locked (G0)")

    wg.Add(3)
    for i := 1; i < 4; i++ {
        go func(i int) {
            // 由于主 goroutine 先获取锁，程序开始 5 秒会阻塞在这里
            fmt.Printf("Locking (G%d)\n", i)
            mutex.Lock()
            fmt.Printf("locked (G%d)\n", i)

            time.Sleep(time.Second * 2)
            mutex.Unlock()
            fmt.Printf("unlocked (G%d)\n", i)

            wg.Done()
        }(i)
    }

    // 主 goroutine 5 秒后释放锁
    time.Sleep(time.Second * 5)
    fmt.Println("ready unlock (G0)")
    mutex.Unlock()
    fmt.Println("unlocked (G0)")

    wg.Wait()
}

RWMutex 属于经典的单写多读模型，当读锁被占用时，会阻止写，但不阻止读。而写锁会阻止写和读。

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

func main() {
    var rwMutex sync.RWMutex
    wg := sync.WaitGroup{}

    Data := 0
    wg.Add(20)
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go func(t int) {
            // 第一次运行后，写解锁。
            // 循环到第二次时，读锁定后，goroutine 没有阻塞，同时读成功。
            fmt.Println("Locking")
            rwMutex.RLock()
            defer rwMutex.RUnlock()
            fmt.Printf("Read data: %v\n", Data)
            wg.Done()
            time.Sleep(2 * time.Second)
        }(i)
        go func(t int) {
            // 写锁定下是需要解锁后才能写的
            rwMutex.Lock()
            defer rwMutex.Unlock()
            Data += t
            fmt.Printf("Write Data: %v %d \n", Data, t)
            wg.Done()
            time.Sleep(2 * time.Second)
        }(i)
    }

    wg.Wait()
}

总结

并发编程算是 Go 的特色，也是核心功能之一了，涉及的知识点其实是非常多的，本文也只是起到一个抛砖引玉的作用而已。

本文开始介绍了 goroutine 的简单用法，然后引出了通道的概念。

通道有三种：

1. 无缓冲通道

2. 缓冲通道

3. 单向通道

最后介绍了 Go 中的锁机制，分别是 sync 包提供的 sync.Mutex（互斥锁） 和 sync.RWMutex（读写锁）。

goroutine 博大精深，后面的坑还是要慢慢踩的。

文章中的脑图和源码都上传到了 GitHub，有需要的同学可自行下载。

地址： https://github.com/yongxinz/gopher/tree/main/sc

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