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并發(fā) VS 并行
在講解并發(fā)概念時(shí)，總會(huì)涉及另外一個(gè)概念并行。下面讓我們來(lái)聊聊并發(fā)和并行之間的區(qū)別。
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- 并發(fā)（concurrency）：把任務(wù)在不同的時(shí)間點(diǎn)交給處理器進(jìn)行處理。在同一時(shí)間點(diǎn)，任務(wù)并不會(huì)同時(shí)運(yùn)行。
- 并行（parallelism）：把每一個(gè)任務(wù)分配給每一個(gè)處理器獨(dú)立完成。在同一時(shí)間點(diǎn)，任務(wù)一定是同時(shí)運(yùn)行。
并發(fā)不是并行。并行是讓不同的代碼片段同時(shí)在不同的物理處理器上執(zhí)行。并行的關(guān)鍵是同時(shí)做很多事情，而并發(fā)是指同時(shí)管理很多事情，這些事情可能只做了一半就被暫停去做別的事情了。
在很多情況下，并發(fā)的效果比并行好，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)和硬件的總資源一般很少，但能支持系統(tǒng)同時(shí)做很多事情。這種“使用較少的資源做更多的事情”的哲學(xué)，也是指導(dǎo) Go語(yǔ)言設(shè)計(jì)的哲學(xué)。
如果希望讓 goroutine 并行，必須使用多于一個(gè)邏輯處理器。當(dāng)有多個(gè)邏輯處理器（CPU）時(shí)，調(diào)度器會(huì)將 goroutine 平等分配到每個(gè)邏輯處理器上。這會(huì)讓 goroutine 在不同的線程上運(yùn)行。不過(guò)要想真的實(shí)現(xiàn)并行的效果，用戶需要讓自己的程序運(yùn)行在有多個(gè)物理處理器的機(jī)器上。否則，哪怕 Go語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)使用多個(gè)線程，goroutine 依然會(huì)在同一個(gè)物理處理器上并發(fā)運(yùn)行，達(dá)不到并行的效果。
下圖展示了在一個(gè)邏輯處理器上并發(fā)運(yùn)行 goroutine 和在兩個(gè)邏輯處理器上并行運(yùn)行兩個(gè)并發(fā)的 goroutine 之間的區(qū)別。 調(diào)度器包含一些聰明的算法，這些算法會(huì)隨著Go語(yǔ)言的發(fā)布被更新和改進(jìn)，所以不推薦盲目修改語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)對(duì)邏輯處理器的默認(rèn)設(shè)置。如果真的認(rèn)為修改邏輯處理器的數(shù)量可以改進(jìn)性能，也可以對(duì)語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)的參數(shù)進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。
并發(fā)與并行的區(qū)別
Go 可以充分發(fā)揮多核優(yōu)勢(shì)，高效運(yùn)行。 Go語(yǔ)言在 GOMAXPROCS 數(shù)量與任務(wù)數(shù)量相等時(shí)，可以做到并行執(zhí)行，但一般情況下都是并發(fā)執(zhí)行。
目錄
- 1.1 Goroutine
- 1.2 CSP
- 1.3 Channel
- 1.4 Lock
- 1.5 WaitGroup
1.1 Goroutine
由誰(shuí)創(chuàng)建？
- 線程是操作系統(tǒng)分配給應(yīng)用程序的獨(dú)立執(zhí)行單元，它們可以在多核處理器中并行執(zhí)行。線程的調(diào)度是由操作系統(tǒng)內(nèi)核負(fù)責(zé)的，并且線程之間有獨(dú)立的地址空間。
- 協(xié)程是由程序員編寫(xiě)的，它是一種輕量級(jí)的線程，并由Go語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)管理。協(xié)程之間沒(méi)有獨(dú)立的地址空間，而是共享一個(gè)地址空間。協(xié)程的調(diào)度是由Go語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)負(fù)責(zé)的，并且可以在單個(gè)線程中并行執(zhí)行。
線程的創(chuàng)建和銷毀的開(kāi)銷比較大，而協(xié)程的創(chuàng)建和銷毀開(kāi)銷很小，因此在需要高并發(fā)的場(chǎng)景中，使用協(xié)程更加高效。
大小比較？
線程棧是由操作系統(tǒng)分配的，它通常有一個(gè)固定的大小，并且在線程創(chuàng)建時(shí)分配。它存儲(chǔ)著線程的狀態(tài)信息和調(diào)用棧。線程棧的大小取決于操作系統(tǒng)的限制，一般在幾百KB到幾MB之間。
而協(xié)程的棧是由Go語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)管理的，它通常有一個(gè)較小的默認(rèn)大小，并在協(xié)程創(chuàng)建時(shí)分配。它也存儲(chǔ)著協(xié)程的狀態(tài)信息和調(diào)用棧。協(xié)程棧的大小可以通過(guò)Golang的runtime包中的函數(shù)來(lái)調(diào)整，一般在幾KB到幾MB之間。
由于協(xié)程的棧比線程棧小，所以協(xié)程能夠創(chuàng)建的數(shù)量比線程多得多。但是由于協(xié)程棧比線程棧小，所以在調(diào)用深度較深的程序中，協(xié)程可能會(huì)爆棧。
1.2 CSP
CSP：Communicating Sequential Processes
Go語(yǔ)言提倡:通過(guò)通信共享內(nèi)存，而不是通過(guò)共享內(nèi)存而實(shí)現(xiàn)通信。
有緩沖通道
緩沖通道中的數(shù)字表示該通道可以在沒(méi)有接收者阻塞的情況下緩存多少個(gè)元素。
加入容量為1，所以只能緩存一個(gè)元素。如果一個(gè)新的元素試圖被發(fā)送到已經(jīng)滿了的通道中，發(fā)送者將會(huì)阻塞直到接收者從通道中讀取一個(gè)元素。
阻塞并不一定意味著數(shù)據(jù)丟失，這取決于阻塞的原因和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)：
在 Go 語(yǔ)言中，通道是一種同步機(jī)制，發(fā)送者和接收者之間可以通過(guò)通道來(lái)進(jìn)行通信。 如果發(fā)送者試圖向一個(gè)滿的緩沖通道發(fā)送數(shù)據(jù)，那么發(fā)送者將會(huì)阻塞直到緩沖區(qū)有空間可用。同樣，如果接收者試圖從一個(gè)空的通道接收數(shù)據(jù)，那么接收者將會(huì)阻塞直到通道中有數(shù)據(jù)可用。這種情況下，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，而是在緩沖區(qū)中等待被取出。
無(wú)緩沖通道
但是，如果通道是無(wú)緩沖的，那么發(fā)送者和接收者之間將是同步的。如果發(fā)送者在接收者準(zhǔn)備好之前發(fā)送了數(shù)據(jù)，那么發(fā)送者將會(huì)阻塞直到接收者準(zhǔn)備好。
如果接收者在數(shù)據(jù)可用之前就開(kāi)始接收，那么接收者將會(huì)阻塞直到數(shù)據(jù)可用。在這種情況下，如果發(fā)送者和接收者之間的時(shí)間差較大，那么可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。
所以阻塞并不一定意味著數(shù)據(jù)丟失，而是取決于程序是否設(shè)計(jì)了阻塞的處理方式，以及阻塞的類型。
下面是一個(gè)示例代碼，其中兩個(gè) goroutine 通過(guò)緩沖通道共享內(nèi)存：
package main
import (
"fmt"
)
func main() {
// 創(chuàng)建緩沖通道
ch := make(chan int, 1)
// 啟動(dòng)第一個(gè)goroutine
go func() {
for i := 0; i < 10; i++ {
ch <- i // 發(fā)送數(shù)據(jù)
}
close(ch) // 關(guān)閉通道
}()
// 啟動(dòng)第二個(gè)goroutine
go func() {
for i := range ch {
fmt.Println(i) // 接收數(shù)據(jù)并打印
}
}()
// 等待所有g(shù)oroutine結(jié)束
fmt.Scanln()
}
執(zhí)行效果：
在這個(gè)示例中，第一個(gè) goroutine 會(huì)循環(huán)發(fā)送 0 到 9 的整數(shù)，而第二個(gè) goroutine 會(huì)接收這些整數(shù)并打印。這兩個(gè) goroutine 都會(huì)共享同一個(gè)通道來(lái)傳遞數(shù)據(jù)。
注意，在生產(chǎn)環(huán)境中，通常需要使用同步機(jī)制來(lái)等待 goroutine 結(jié)束，而不是使用 fmt.Scanln()。
1.3 Channel
make(chan 元素類型,[緩沖大小])
- 無(wú)緩沖通道 make(chan int) 同步
- 有緩沖通道 make(chan int,2) 不同步
無(wú)緩沖通道是在發(fā)送者和接收者之間同步地傳遞消息。 發(fā)送者會(huì)在接收者準(zhǔn)備好接收消息之前阻塞，接收者會(huì)在接收到消息之前阻塞。這種方式可以保證消息的順序和每個(gè)消息只被接收一次。
緩沖通道具有一個(gè)固定大小的緩沖區(qū)，發(fā)送者和接收者之間不再是同步的。 如果緩沖區(qū)已滿，發(fā)送者會(huì)繼續(xù)執(zhí)行而不會(huì)阻塞；如果緩沖區(qū)為空，接收者會(huì)繼續(xù)執(zhí)行而不會(huì)阻塞。這種方式可以提高程序的性能，但是可能會(huì)導(dǎo)致消息的丟失或重復(fù)。
package main
import (
"fmt"
)
func main() {
// 創(chuàng)建通道
ch := make(chan int)
ch_squared := make(chan int)
// 啟動(dòng)A子協(xié)程
go func() {
for i := 0; i < 10; i++ {
ch <- i
}
close(ch)
}()
// 啟動(dòng)B子協(xié)程
go func() {
for i := range ch {
ch_squared <- i * i
}
close(ch_squared)
}()
//主協(xié)程輸出結(jié)果
for i := range ch_squared {
fmt.Println(i)
}
}
執(zhí)行效果：
在這個(gè)程序中，A子協(xié)程循環(huán)發(fā)送0~9的數(shù)字，B子協(xié)程接收并計(jì)算數(shù)字的平方，最后主協(xié)程等待所有子協(xié)程完成后輸出所有數(shù)字的平方。
注意：
- 在這個(gè)程序中我們使用了兩個(gè)通道ch, ch_squared來(lái)傳遞數(shù)據(jù)，以避免數(shù)據(jù)丟失。
- 在最后輸出結(jié)果時(shí)，主協(xié)程要等待所有子協(xié)程完成，因此我們使用了 for i := range ch_squared來(lái)等待子協(xié)程的完成
- 在生產(chǎn)環(huán)境中，通常需要使用同步機(jī)制來(lái)等待子協(xié)程結(jié)束，而不是使用 for i := range ch_squared。
- 可以把ch_squared改為帶緩沖的channe，以解決生產(chǎn)比消費(fèi)快的執(zhí)行效率問(wèn)題。
1.4 并發(fā)安全 Lock
在并發(fā)編程中，當(dāng)多個(gè) goroutine 同時(shí)訪問(wèn)共享資源時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)條件，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致或錯(cuò)誤。為了避免這種情況，我們可以使用 Lock（鎖）來(lái)保證并發(fā)安全。
Lock 是一種同步機(jī)制，可以防止多個(gè) goroutine 同時(shí)訪問(wèn)共享資源。當(dāng)一個(gè) goroutine 獲取鎖時(shí)，其他 goroutine 將被阻塞，直到鎖被釋放。
Go語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中提供了 sync.Mutex 來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖。
一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：
package main
import (
"fmt"
"sync"
)
var (
count int
lock sync.Mutex
)
func main() {
wg := sync.WaitGroup{}
for i := 0; i < 10; i++ {
wg.Add(1)
go func() {
defer wg.Done()
lock.Lock()
defer lock.Unlock()
count++
fmt.Println(count)
}()
}
wg.Wait()
}
執(zhí)行效果：
在上面的示例中，main函數(shù)中啟動(dòng)了10個(gè)goroutine，每個(gè)goroutine都會(huì)嘗試去獲取鎖，并對(duì)共享變量count進(jìn)行修改。在獲取鎖后才能進(jìn)行修改，其他goroutine在等待鎖時(shí)將被阻塞。
這樣就能保證并發(fā)安全了，使得共享變量count在多個(gè)goroutine之間可以安全地訪問(wèn)。但是，使用鎖也需要注意避免死鎖的情況，需要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候釋放鎖。并發(fā)安全問(wèn)題難以定位。
1.5 WaitGroup
Go語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中提供了 sync.WaitGroup 來(lái)管理多個(gè) goroutine 的執(zhí)行。
- Add(delta int): 使用該方法來(lái)增加等待組中 goroutine 的數(shù)量。當(dāng)我們需要等待一些 goroutine 執(zhí)行完畢時(shí)，就可以使用該方法來(lái)增加等待組中 goroutine 的數(shù)量。
- Done(): 使用該方法來(lái)通知等待組，一個(gè) goroutine 執(zhí)行完畢。當(dāng)一個(gè) goroutine 執(zhí)行完畢后，我們需要調(diào)用該方法來(lái)通知等待組。
- Wait(): 使用該方法來(lái)等待等待組中的所有 goroutine 執(zhí)行完畢。當(dāng)我們需要等待所有 goroutine 執(zhí)行完畢時(shí)，就可以使用該方法。
下面是一個(gè)例子，演示了如何使用 sync.WaitGroup 來(lái)管理多個(gè) goroutine 的執(zhí)行：
package main
import (
"fmt"
"sync"
)
func main() {
var wg sync.WaitGroup
wg.Add(3) //增加3個(gè)goroutine
go func() {
defer wg.Done()
fmt.Println("Goroutine 1")
}()
go func() {
defer wg.Done()
fmt.Println("Goroutine 2")
}()
go func() {
defer wg.Done()
fmt.Println("Goroutine 3")
}()
wg.Wait()
fmt.Println("all goroutines have been finished")
}
執(zhí)行效果：
在上面的代碼中，我們使用了 sync.WaitGroup 來(lái)管理三個(gè) goroutine 的執(zhí)行。我們先使用 wg.Add(3) 來(lái)增加等待組中 goroutine 的數(shù)量。然后在每個(gè) goroutine 中調(diào)用 wg.Done() 來(lái)通知等待組，該 goroutine 執(zhí)行完畢。最后使用 wg.Wait() 來(lái)等待所有 goroutine 執(zhí)行完畢。
注意:
- 如果沒(méi)有 wg.Wait()，主協(xié)程可能會(huì)在其他協(xié)程還沒(méi)有執(zhí)行完成的情況下結(jié)束，這樣的話其他協(xié)程的執(zhí)行結(jié)果就沒(méi)有機(jī)會(huì)被獲取。
- 如果Add的數(shù)量和done的數(shù)量不對(duì)應(yīng)，wait永遠(yuǎn)不會(huì)返回，這也叫死鎖。
在線運(yùn)行
上面分享的代碼都支持，訪問(wèn)下方鏈接運(yùn)行測(cè)試：https://1024code.com/codecubes/GB47x7u
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