Go語言8-goroutine和channel

摘要： Goroutine Go語言從語言層面上就支援了併發，這與其他語言大不一樣。Go語言中有個概念叫做goroutine，這類似我們熟知的執行緒，但是更輕。 程序、執行緒、協程 程序和執行緒 程序是程式在作業系統中的一次執行過程，系統進行資源分配和排程的一個獨立...

Goroutine

Go語言從語言層面上就支援了併發，這與其他語言大不一樣。Go語言中有個概念叫做goroutine，這類似我們熟知的執行緒，但是更輕。

程序、執行緒、協程

程序和執行緒

程序是程式在作業系統中的一次執行過程，系統進行資源分配和排程的一個獨立單位。

執行緒是程序的一個執行實體，是CPU排程和分派的基本單位，它是比程序更小的能獨立執行的基本單位。

一個程序可以建立和撤銷多個執行緒，同一個程序中的多個執行緒之間可以併發執行。

所以程式的型別可以分為以下幾種：

• 一個程序，它只有一個執行緒，就是單執行緒程式
• 一個程序，它又多個執行緒，就是多執行緒程式
• 一個程序，它可能還會fork多個子程序，就是多程序程式

併發和並行的區別

• 多執行緒程式在單核的cou上執行，這是併發（concurrency）。
• 多執行緒程式在多個核的cpu上執行（真正的同時執行），這才是並行（parallelism）。

併發，在微觀上，任意時刻只有一個程式在執行。因為執行緒已經是CPU排程的最小單元，一個CPU一次只能處理一個執行緒。但是巨集觀上這些程式時同時在那裡執行的，所以這個只是併發。

所以在python裡，貌似講的都是高併發，似乎沒聽過並行的概念。

協程和執行緒

協程，獨一的棧空間，共享堆空間，排程由使用者自己控制。本質上類似於使用者級執行緒，這些使用者級執行緒的排程也是自己實現的。

執行緒，一個執行緒上可以跑多個協程，協程是輕量級的執行緒。

goroutine 排程模型

Go的排程器模型：G-P-M模型。

• G代表goroutine，它通過go關鍵字呼叫runtime.newProc建立。
• P代表processer，可以理解為上下文。
• M表示machine，可以理解為作業系統的執行緒。

設定Golang執行的cpu核數

設定當前的程式執行在多少核上，下面的例子是獲取CPU的核數，然後執行在所有核上：

package main

import (
"fmt"
"runtime"
)

func main() {
num := runtime.NumCPU()
runtim.GOMAXPROCS(num)
fmt.Println(num)
}

上面P的數目就是這裡GOMAXPROCS設定的數目，通常設定為CPU核數。

1.8版本以上的Golang，是不需要做上面的設定的，預設就是執行在所有的核上。當然還是可以設定一下，比如限制只能使用多少核。

goroutine的示例：

package main

import (
"fmt"
"time"
)

func example() {
var i int
for {
fmt.Println(i)
i++
time.Sleep(time.Millisecond * 30)
}
}

func main() {
go example()// 起一個goroutine
var j int
for j > -100 {
fmt.Println(j)
j--
time.Sleep(time.Millisecond * 100)
}
fmt.Println("執行結束")
}

Channel

不同goroutine之間要進行通訊，有下面2種方法：

• 全域性變數和鎖同步
• Channel

全域性變數的實現示例

在下面的例子裡定義了變數 m 來實現goroutine之間的通訊：

package main

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

var (
m = make(map[int]uint64)
lock sync.Mutex
)

type task struct {
n int
}

func calc(t *task) {
var res uint64
res = 1
for i := 1; i <= t.n; i++ {
res *= uint64(i)
}
lock.Lock()
m[t.n] = res// 變數m用來存放結果，這樣主執行緒裡就能拿到m的值，操作要加鎖
lock.Unlock()
}

func main() {
for i := 0; i < 100; i++ {
t := &task{i}
go calc(t)
}
for j := 0; j < 10; j++ {
fmt.Printf("\r已執行%d秒", j)
time.Sleep(time.Second)
}
fmt.Println("\r執行完畢，輸出結果:")
lock.Lock()
for k, v := range m {
if v != 0 {
fmt.Printf("%d! = %v\n", k, v)
}
}
lock.Unlock()
}

channel 概念

channel的概念如下：

• 型別Unix中的管道（Pipe）
• 先進先出
• 執行緒安全，多個goroutine同時訪問，不需要加鎖
• channel是有型別的，一個整數的channel只能存放整數

channel 宣告

var 變數名 chan 型別

var test1 chan int
var test2 chan string
var tesr3 chan map[string]string
var test4 chan stu
var test5 chan *stu

只是宣告還不夠，使用前還要make，分配記憶體空間：

package main

import "fmt"

func main() {
var intChan chan int// 宣告
intChan = make(chan int, 10)// 初始化，長度是10
intChan <- 10// 存入管道
n := <- intChan// 取出
fmt.Println(n)
}

定義訊號（空結構體）

有一些場景中，一些 goroutine 需要一直迴圈處理資訊，直到收到 quit 訊號。作為訊號，只需要隨便傳點什麼，並不關注具體的值。那麼可以選擇使用空結構體，像下面這樣定義了2個訊號：

msgCh := make(chan struct{})
quitCh := make(chan struct{})
// 傳訊號的方法
msgCh <- struct{}{}// 前面的 struct{} 是變數的型別，後面的 {} 則是做初始化傳入空值生成例項
quitCh <- struct{}{}

通過channel實現通訊

起一個goroutine往管道里存，再起一個goroutine從管道里把資料取出：

package main

import (
"fmt"
"time"
)

func write(ch chan int) {
var i int
for {
ch <- i
i ++
time.Sleep(time.Millisecond)
}
}

func read(ch chan int) {
for {
b := <- ch
fmt.Println(b)
}
}

func main() {
intChan := make(chan int, 10)
go write(intChan)
go read(intChan)
time.Sleep(time.Second * 5)
}

channel 的型別和阻塞

channel 分為不帶快取的 channel 和帶快取的 channel。

channel 一定要初始化後才能進行讀寫操作，否則會永久阻塞。這個不是這裡要講的重點，順便帶一下。

無快取的channle

初始化make的時候不傳入第二個引數設定容量就是：

ch := make(chan int)

從無快取的 channel 中讀取訊息會阻塞，直到有 goroutine 向該 channel 中傳送訊息；同理，向無快取的 channel 中傳送訊息也會阻塞，直到有 goroutine 從 channel 中讀取訊息。

有快取的 channel

有快取的 channel 的宣告方式為指定 make 函式的第二個引數，該引數為 channel 快取的容量：

ch := make(chan int, 10)

有快取的 channel 類似一個阻塞佇列(採用環形陣列實現)。當快取未滿時，向 channel 中傳送訊息時不會阻塞，當快取滿時，傳送操作將被阻塞，直到有其他 goroutine 從中讀取訊息；

相應的，當 channel 中訊息不為空時，讀取訊息不會出現阻塞，當 channel 為空時，讀取操作會造成阻塞，直到有 goroutine 向 channel 中寫入訊息。

緩衝區的大小

通過 len 函式可以獲得 chan 中的元素個數，通過 cap 函式可以得到 channel 的緩衝區長度。

無快取和緩衝區是1的差別

無快取的 channel 的 len和cap 始終都是0。

通過無快取的 channel 進行通訊時，接收者收到資料 happens before 傳送者 goroutine 喚醒

上面這句不好理解，不過可以先看下現象。

下面的這2行函式會報錯，說是死鎖。但是如果設定了 channel 的容量哪怕是1，就不會報錯的：

func main() {
ch := make(chan int)
ch <- 1
}

雖然容量1的channel也只能存1個數，但是無緩衝區的channel似乎1個數都存不了，除非馬上能取走：

func main() {
ch := make(chan int, 1)
// 要起一個goroutine可以馬上接收channel裡的資料
go func () {
fmt.Println(<- ch)
}()
ch <- 1
time.Sleep(time.Second)// 要給goroutine執行完成的時間
}

小結：無快取的channel需要有一個goroutine可以把channel裡的資料馬上取走。

channel之間的同步

在學習關閉channel之前，先看下下面的例子。由於沒有關閉channel，是會有問題的，不過例子裡都解決了。先看下不用關閉channel可以怎麼搞，然後再接著看關閉channel的用法：

package main

import (
"time"
"fmt"
)

func calc(taskChan chan int, resChan chan int) {
for v := range taskChan {
// 判斷是不是素數
flag := true
for i := 2; i < v; i++ {
if v % i == 0 {
flag = false
break
}
}
if flag {
resChan <- v
}
}
}

func main() {
intChan := make(chan int, 1000)
// 這個也是個goroutine
go func(){
for i := 2; i < 100000; i++ {
intChan <- i
}
}()// 管道滿了之後，這個匿名函式會阻塞，但是不影響程式繼續往下走

resultChan := make(chan int, 1000)
// 同時起8個goroutine
for i := 0; i < 8; i++ {
go calc(intChan, resultChan)
}

// 再起一個取結果的goroutine，不阻塞主執行緒
go func(){
for v := range resultChan{
fmt.Println("素數:", v)
}
}()
// 給上面的匿名函式幾秒鐘來輸出結果
time.Sleep(time.Second * 5)
}

上面的例子裡用了2個匿名函式，也都是起的goroutine。如果是在主執行緒裡直接for迴圈的話，那個for迴圈就會變成死鎖，程式不會自己往下走。所以執行在goroutine裡的死迴圈，在主執行緒退出後也就結束了，不會有問題。後一個匿名函式是對channel的進行遍歷，channel取空後，會進入阻塞，如果是執行在主執行緒裡的話也會形成死鎖。

range 遍歷

channel 也可以使用 range 取值，並且會一直從 channel 中讀取資料，直到有 goroutine 對改 channel 執行 close 操作，迴圈才會結束。

關閉 channel

golang 提供了內建的 close 函式對 channel 進行關閉操作：

ch := make(chan int)
close(ch)

關於 channel 的關閉，有以下的特點：

• 關閉一個未初始化(nil) 的 channel 會產生 panic
• 重複關閉同一個 channel 會產生 panic
• 向一個已關閉的 channel 中傳送訊息會產生 panic
• 可以從已關閉的 channel 裡繼續讀取訊息，若訊息均已讀出，則會讀到型別的零值。從一個已關閉的 channel 中讀取訊息不會阻塞，並且會返回一個為 false 的 ok-idiom，可以用它來判斷 channel 是否關閉
• 關閉 channel 會產生一個廣播機制，所有向 channel 讀取訊息的 goroutine 都會收到訊息

有2種方式可以把管道里的資料都取出來，但是都需要把管道關閉：

• 判斷管道已關閉並且取完了
• 遍歷管道

關閉channel然後讀取的示例：

package main

import "fmt"

func main() {
var ch chan int
ch = make(chan int, 5)
for i := 0; i < 5; i++ {
ch <- i
}
close(ch)
for {
var b int
b, ok := <- ch
fmt.Println(b, ok)
if ok == false {
break
}
}
}

/* 執行結果
PS H:\Go\src\go_dev\day8\channel\close_chan> go run main.go
0 true
1 true
2 true
3 true
4 true
0 false
PS H:\Go\src\go_dev\day8\channel\close_chan>
*/

上面輸出的最後一條，就是channel已經空了，讀出來的就是型別的0值，並且ok變false了。

遍歷channel的示例：

package main

import "fmt"

func main() {
var ch chan int
ch = make(chan int)// 這個管道沒有無快取
// 這個goroutine一次存一個，再存會阻塞，直到主執行緒後面的for迴圈遍歷的時候取走資料
// 存完100個數後，這裡的for迴圈結束，會關閉管道。主執行緒後面的for迴圈的遍歷就能正常結束了
go func () {
for i := 0; i < 100; i++ {
ch <- i
}
close(ch)
}()
for v := range ch {
fmt.Println(v)
}
}

判斷子執行緒結束

學到這裡，再也不需要用Sleep等待子執行緒結束了，可以通過管道實現。可以單獨定義一個專門用來判斷子執行緒結束的管道。子執行緒完成任務後，就傳個值給管道，主執行緒就阻塞的讀管道里的資訊，一旦讀到資訊，就說明子執行緒完成了，可以繼續執行或者退出了。如果起了多個子執行緒，則主執行緒就是用for迴圈多讀幾次，就能判斷出有多少子執行緒已經結束了。

channel 只讀、只寫

宣告只讀的channel：

var ch <-chan int

宣告只寫的channel：

var ch chan<- int

應用場景，管道需要能夠可讀可寫。但是可以限制它在某個函式裡的功能，也就是在定義函式的引數的時候，把管道的型別設定為只讀或只寫。或者把管道傳給結構體，結構體裡限制管道的讀寫限制？

下面是之前的一個例子，僅僅只是把2個函式在設定引數型別的時候把管道的讀寫限制加上了：

package main

import (
"fmt"
"time"
)

func write(ch chan<- int) {
var i int
for {
ch <- i
i ++
time.Sleep(time.Millisecond)
}
}

func read(ch <-chan int) {
for {
b := <- ch
fmt.Println(b)
}
}

func main() {
intChan := make(chan int, 10)
go write(intChan)
go read(intChan)
time.Sleep(time.Second * 5)
}

配合 select 使用

select 用法類似IO多路複用，可以同時監聽多個 channel 的訊息狀態，用法如下：

select {
case <- ch1:
...
case <- ch2:
...
case ch3 <- 10;
...
default:
...
}

select 可以同時監聽多個 channel 的寫入或讀取：

• 若只有一個 case 通過(不阻塞)，則執行這個 case 塊
• 若有多個 case 通過，則隨機挑選一個 case 執行
• 若所有 case 均阻塞，則執行 default 塊。若未定義 default 塊，則 select 語句阻塞，直到有 case 被喚醒
• 使用 break 會跳出 select 塊
• select 不會迴圈，就只會執行一個塊然後就繼續往後執行了

select只會執行一次

這個例子只會輸出一次，隨機是1或者是2，然後接結束了：

package main

import "fmt"

func main() {
ch1 := make(chan int, 1)
ch1 <- 1
ch2 := make(chan int, 1)
ch2 <- 2
select {
case v := <- ch1:
fmt.Println(v)
case v := <- ch2:
fmt.Println(v)
default:
fmt.Println(0)
}
}

所以如果要把管道里的數取完，或者取多次，就要再套一層for迴圈。

for迴圈和break的效果

在select外面用for套了一層死迴圈，這樣就是反覆的執行select。不過break在這裡就沒效果了：

package main

import (
"fmt"
"time"
)

func main() {
var ch1, ch2 chan int
ch1 = make(chan int, 10)
ch2 = make(chan int, 10)
for i := 0; i < cap(ch1); i++ {
ch1 <- i
ch2 <- i * i
}

// LABEL1:
for {
select {
case v := <- ch1:
fmt.Println("ch1", v)
case v := <- ch2:
fmt.Println("ch2", v)
default:
fmt.Println("所有元素都已經取完")
break// 這個break沒有意義，因為值是跳出select，而不是for迴圈
// break LABEL1// 這個break可以直接跳出for迴圈
}
time.Sleep(time.Second)
}
}

如果要跳出for迴圈，可以配合標籤。上面的程式碼裡已經寫好了只是註釋掉了。

定時器

定時器是在 time 包裡的，

package main

import (
"fmt"
"time"
)

func main() {
t := time.NewTicker(time.Second)
for v := range t.C {
fmt.Println(v)
}
}

上面呼叫的NewTicker()方法返回的是個結構體，如下：

type Ticker struct {
C <-chan Time // The channel on which the ticks are delivered.
// contains filtered or unexported fields
}

上面的例子裡遍歷了 t.C 就是一個channel。time包內部應該是會產生一個goroutine，每隔一段時間就傳一個數據進去。

設定超時時間

還有一個After()方法，和上面的方法是一樣的。不過這個方法直接返回管道，即 NewTimer(d).C 。而NewTimer()方法的管道在返回的結構體的屬性C裡。這個After()方法用起來更方便。結合select正好可以做成一個設定任務超時時間的功能：

package main

import (
"fmt"
"time"
)

func task(ch chan struct{}) {
time.Sleep(time.Second * 3)
ch <- struct{}{}
}

func main() {
ch := make(chan struct{})// 定義好訊號的管道，傳遞空結構體
go task(ch)// 啟動一個任務
select {
case <- ch:
fmt.Println("任務執行結束")
case <- time.After(time.Second * 2):// 2秒後超時
fmt.Println("任務超時")
}
}

goroutine 中使用 recover

程式裡起的gorountine中如果panic了，並且這個goroutine裡面沒有捕獲錯誤的話，整個程式就會掛掉。

下面的程式會報錯（Panic），是gorountine裡的產生的錯誤：

package main

func divideZero(ch chan int) {
zero := 0
ch <- 1 / zero
}

func main() {
ch := make(chan int)
go divideZero(ch)
<- ch
}

在gorountine中執行錯誤了，是可以不影響其他執行緒和主執行緒的繼續執行的。所以，好的習慣是每當產生一個goroutine，就在開頭用defer插入recover， 這樣在出現panic的時候，就只是自己退出而不影響整個程式。下面是優化後的程式碼，加入了recover來捕獲錯誤：

package main

import "fmt"

func divideZero(ch chan int) {
defer func () {
if err := recover(); err != nil {
fmt.Println(err)
// 要給管道傳值，否則主執行緒從空管道里取值會阻塞，形成死鎖
ch <- 0
}
}()
zero := 0
ch <- 1 / zero
}

func main() {
ch := make(chan int)
go divideZero(ch)
<- ch
}

單元測試

測試用例的檔名必須以_test.go結尾，測試的函式也必須以Test開頭。符合命名規則，使用 go test 命令的時候就能自動執行測試用例。

這篇的單元測試比較粗糙，不過基本怎麼用，以及用法示例都簡單記下來了。

被測試的函式

先準備一個需要被測試的函式：

package main

import "fmt"

func get_fullname(first, last string) (fullname string) {
fullname = first + " " + last
return
} 

func main() {
fullname := get_fullname("Barry", "Allen")
fmt.Println(fullname)
}

上面的 get_fullname() 函式就是接下來要進行單元測試的函式。

測試用例

package main

import "testing"

func TestName(t *testing.T) {
r := get_fullname("Sara", "Lance")
expect := "Sara Lance"
if r != expect {
t.Fatalf("ERROR: get_fullname expect: %s actual: %s", expect, r)
}
t.Log("測試成功")
}

執行測試

寫完測試用例，就可以執行測試了，使用命令 go test。輸出如下：

PS H:\Go\src\go_dev\day8\unit_test\name> go test
PASS
okgo_dev/day8/unit_test/name0.058s
PS H:\Go\src\go_dev\day8\unit_test\name>

看到PASS了，但是t.Log()並沒有輸出，要看到更多資訊，要用帶上-v引數。使用命令 go test -v ，輸出如下：

PS H:\Go\src\go_dev\day8\unit_test\name> go test -v
=== RUNTestName
--- PASS: TestName (0.00s)
name_test.go:11: 測試成功
PASS
okgo_dev/day8/unit_test/name0.053s
PS H:\Go\src\go_dev\day8\unit_test\name>

直接用go test命令，只顯示測試的結果。如果有多個測試用例，也只有一個結果。可以用-v引數看到詳細的資訊，每個測試用例的的結果都會打印出來。

如果某個測試失敗了，就會直接退出，不會繼續測試下去。