Go中的并发性介绍

本文介绍: 并发是指在同一时间运行多个事物的能力。你的电脑有一个CPU。一个CPU有几个线程。每个线程通常一次运行一个程序。当我们通常写代码时，这些代码是按顺序运行的，也就是说，每项工作都是背对背运行的。在并发代码中，这些工作是由线程同时运行的。一个很好的比喻是对一个家庭厨师的比喻。我还记得我第一次尝试煮意大利面的时候。我按照菜谱一步步地做。我切了蔬菜，做了酱汁，然后煮了意大利面条，再把两者混合起来。在这里，每一步都是按顺序进行的，所以下一项工作必须等到当前工作完成后才能进行。

并发是一个很酷的话题，一旦你掌握了它，就会成为一笔巨大的财富。说实话，我一开始很害怕写这篇文章，因为我自己直到最近才对并发性不太适应。我已经掌握了基础知识，所以我想帮助其他初学者学习Go的并发性。这是众多并发性教程中的第一篇，请继续关注更多的教程。

什么是并发性，为什么它很重要？

并发是指在同一时间运行多个事物的能力。你的电脑有一个CPU。一个CPU有几个线程。每个线程通常一次运行一个程序。当我们通常写代码时，这些代码是按顺序运行的，也就是说，每项工作都是背对背运行的。在并发代码中，这些工作是由线程同时运行的。
一个很好的比喻是对一个家庭厨师的比喻。我还记得我第一次尝试煮意大利面的时候。我按照菜谱一步步地做。我切了蔬菜，做了酱汁，然后煮了意大利面条，再把两者混合起来。在这里，每一步都是按顺序进行的，所以下一项工作必须等到当前工作完成后才能进行。
快进到现在，我在烹饪意大利面条方面变得更有经验。我现在先开始做意大利面，然后在这期间进行酱汁的制作。烹饪时间几乎减少到一半，因为烹饪意大利面条和酱汁是同时进行的。

并发性与平行性

并发性与并行性有些不同。并行性与并发性类似，即同时发生多项工作。然而，在并行性中，多个线程分别在进行不同的工作，而在并发性中，一个线程在不同的工作之间游走。
因此，并发性和并行性是两个不同的概念。一个程序既可以并发地运行，也可以并行地运行。你的代码可以按顺序写，也可以按并发写。该代码可以在单核机器或多核机器上运行。把并发性看作是你的代码的一个特征，而把并行性看作是执行的一个特征。

Goroutines, the worker Mortys

Go使编写并发代码变得非常简单。每个并发的工作都由一个goroutine来表示。你可以通过在函数调用前使用go关键字来启动一个goroutine。看过《瑞克和莫蒂》吗？想象一下，你的主函数是一个Rick，他把任务委托给goroutine Mortys。
让我们从一个连续的代码开始。

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func main() {
    simple()
}

func simple() {
    fmt.Println(time.Now(), "0")
    time.Sleep(time.Second)

    fmt.Println(time.Now(), "1")
    time.Sleep(time.Second)

    fmt.Println(time.Now(), "2")
    time.Sleep(time.Second)

    fmt.Println("done")
}

2022-08-14 16:22:46.782569233 +0900 KST m=+0.000033220 0
2022-08-14 16:22:47.782728963 +0900 KST m=+1.000193014 1
2022-08-14 16:22:48.782996361 +0900 KST m=+2.000460404 2
done

上面的代码打印出当前时间和一个字符串。每条打印语句的运行时间为一秒。总的来说，这段代码大约需要三秒钟的时间来完成。

现在让我们把它与一个并发的代码进行比较。

func main() {
    simpleConc()
}

func simpleConc() {
    for i := 0; i < 3; i++ {
        go func(index int) {
            fmt.Println(time.Now(), index)
        }(i)
    }

    time.Sleep(time.Second)
    fmt.Println("done")
}

2022-08-14 16:25:14.379416226 +0900 KST m=+0.000049175 2
2022-08-14 16:25:14.379446063 +0900 KST m=+0.000079012 0
2022-08-14 16:25:14.379450313 +0900 KST m=+0.000083272 1
done

上面的代码启动了三个goroutines，分别打印当前时间和i。这段代码花了大约一秒钟完成。这比顺序版本快了三倍左右。

“等一下，”我听到你问。”为什么要等整整一秒？难道我们不能删除这一行以使程序尽可能快地运行吗？”好问题!让我们看看会发生什么。

func main() {
    simpleConcFail()
}

func simpleConcFail() {
    for i := 0; i < 3; i++ {
        go func(index int) {
            fmt.Println(time.Now(), index)
        }(i)
    }

    fmt.Println("done")
}

done

嗯…。程序确实在没有任何慌乱的情况下退出了，但我们缺少来自goroutines的输出。为什么它们被跳过？
这是因为在默认情况下，Go并不等待goroutine的完成。你知道main也是在goroutine里面运行的吗？主程序通过调用simpleConcFail来启动工作程序，但它在工作程序完成工作之前就退出了。

让我们回到烹饪的比喻上。想象一下，你有三个厨师，他们分别负责烹饪酱料、意大利面和肉丸。现在，想象一下，如果戈登-拉姆齐命令厨师们做一盘意大利面条和肉丸子。这三位厨师将努力工作，烹制酱汁、意大利面条和肉丸。但是，在厨师们还没有完成的时候，戈登就按了铃，命令服务员上菜。很明显，食物还没有准备好，顾客只能得到一个空盘子。

这就是为什么我们在退出节目前等待一秒钟。我们并不总是确定每项工作都会在一秒钟内完成。有一个更好的方法来等待工作的完成，但我们首先需要学习另一个概念。

总结一下，我们学到了这些东西：

工作被委托给goroutines。
使用并发性可以提高你的性能。
主goroutine默认不等待工作goroutine完成。
我们需要一种方法来等待每个goroutine完成。

Channels, the green portal

goroutines之间是如何交流的？当然是通过通道。通道的作用类似于门户。你可以通过通道发送和接收数据。下面是你如何在Go中制作一个通道。

ch := make(chan int)

每个通道都是强类型的，并且只允许该类型的数据通过。让我们看看我们如何使用这个。

func main() {
    unbufferedCh()
}

func unbufferedCh() {
    ch := make(chan int)

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

    res := <-ch
    fmt.Println(res)
}

很简单，对吗？我们做了一个名为ch的通道。我们有一个goroutine，向ch发送1，我们接收该数据并将其保存到res。

你问，为什么我们在这里需要一个goroutine？因为不这样做会导致死锁。

func main() {
    unbufferedChFail()
}

func unbufferedChFail() {
    ch := make(chan int)
    ch <- 1
    res := <-ch
    fmt.Println(res)
}

fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

们碰到了一个新词。什么是死锁？死锁就是你的程序被卡住了。为什么上面的代码会卡在死锁中？

为了理解这一点，我们需要知道通道的一个重要特性。我们创建了一个无缓冲的通道，这意味着在某一特定时间内没有任何东西可以被存储在其中。这意味着发送方和接收方都必须同时准备好，才能在通道上传输数据。

在失败的例子中，发送和接收的动作依次发生。我们发送1到ch，但在那个时候没有人接收数据。接收发生在稍后的一行，这意味着在接收行运行之前，1不能被发送。可悲的是，1不能先被发送，因为ch是没有缓冲的，没有空间来容纳任何数据。

在这个工作例子中，发送和接收的动作同时发生。主函数启动了goroutine，并试图从ch中接收，此时goroutine正在向ch发送1。

另一种从通道接收而不发生死锁的方法是先关闭通道。

func main() {
    unbufferedCh()
}

func unbufferedCh() {
    ch2 := make(chan int)
    close(ch2)
    res2 := <-ch2
    fmt.Println(res2)
}

关闭通道意味着不能再向它发送数据。我们仍然可以从该通道中接收它。对于未缓冲的通道，从一个关闭的通道接收将返回一个通道类型的零值。
总结一下，我们学到了这些东西：

通道是goroutines之间相互交流的方式。
你可以通过通道发送和接收数据。
通道是强类型的。
没有缓冲的通道没有空间来存储数据，所以发送和接收必须同时进行。否则，你的代码就会陷入死锁。
一个封闭的通道将不接受任何数据。
从一个封闭的非缓冲通道接收数据将返回一个零值。

如果通道能保持数据一段时间，那不是很好吗？这里就是缓冲通道发挥作用的地方。

Buffered channels, the portal that is somehow cylindrical?

缓冲通道是带有缓冲器的通道。数据可以存储在其中，所以发送和接收不需要同时进行。

func main() {
    bufferedCh()
}

func bufferedCh() {
    ch := make(chan int, 1)
    ch <- 1
    res := <-ch
    fmt.Println(res)
}

在这里，1被储存在ch里面，直到我们收到它。

很明显，我们不能向一个满了缓冲区的通道发送更多的信息。你需要在缓冲区内有空间才能发送更多。

func main() {
    bufferedChFail()
}

func bufferedChFail() {
    ch := make(chan int, 1)
    ch <- 1
    ch <- 2
    res := <-ch
    fmt.Println(res)
}

fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

你也不能从一个空的缓冲通道接收。

func main() {
    bufferedChFail2()
}

func bufferedChFail2() {
    ch := make(chan int, 1)
    ch <- 1
    res := <-ch
    res2 := <-ch
    fmt.Println(res, res2)
}

fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

如果一个通道已满，发送操作将等待，直到有可用的空间。这在这段代码中得到了证明。

func main() {
    bufferedCh2()
}

func bufferedCh2() {
    ch := make(chan int, 1)
    ch <- 1
    go func() {
        ch <- 2
    }()
    res := <-ch
    fmt.Println(res)
}

我们接收一次是为了取出1，这样goroutine就可以发送2到通道。我们没有从ch接收两次，所以只接收1。

我们也可以从封闭的缓冲通道接收。在这种情况下，我们可以在封闭的通道上设置范围来迭代里面的剩余项目。

func main() {
    bufferedChRange()
}

func bufferedChRange() {
    ch := make(chan int, 3)
    ch <- 1
    ch <- 2
    ch <- 3
    close(ch)
    for res := range ch {
        fmt.Println(res)
    }
    // you could also do this
    // fmt.Println(<-ch)
    // fmt.Println(<-ch)
    // fmt.Println(<-ch)
}

1
2
3

在一个开放的通道上测距将永远不会停止。这意味着在某些时候，通道将是空的，测距循环将试图从一个空的通道接收，从而导致死锁。
总结一下：

缓冲通道是有空间容纳项目的通道。
发送和接收不一定要同时进行，与非缓冲通道不同。
向一个满的通道发送和从一个空的通道接收将导致一个死锁。
你可以在一个封闭的通道上进行迭代，以接收缓冲区内的剩余值。

等待戈多…我的意思是，goroutines来完成，使用通道

通道可以用来同步goroutines。还记得我告诉过你，在通过无缓冲通道传输数据之前，发送方和接收方必须都准备好了吗？这意味着接收方将等待，直到发送方准备好。我们可以说，接收是阻断的，意思是接收方将阻断其他代码的运行，直到它收到东西。让我们用这个巧妙的技巧来同步我们的goroutines。

func main() {
    basicSyncing()
}

func basicSyncing() {
    done := make(chan struct{})

    go func() {
        for i := 0; i < 5; i++ {
            fmt.Printf("%s worker %d startn", fmt.Sprint(time.Now()), i)
            time.Sleep(time.Duration(rand.Intn(5)) * time.Second)
        }
        close(done)
    }()

    <-done
    fmt.Println("exiting...")
}

我们做了一个done通道，负责阻断代码，直到goroutine完成。done可以是任何类型，但struct{}经常被用于这些类型的通道。它的目的不是为了传输结构，所以它的类型并不重要。
一旦工作完成，worker goroutine 将关闭 done。此时，我们可以从 done 中接收，它将是一个空结构。接收动作解除了代码的阻塞，使其可以退出。
这就是我们使用通道等待goroutine完成的方式。