Go語言中的並行goroutine底層原理

2022-02-25 19:00:13

一、基本概念

①並行、並行區分

1.概念

並行：同一時間段內一個物件執行多個任務,充分利用時間
並行：同一時刻,多個物件執行多個任務

2.圖解

類似於超市櫃檯結賬,並行是多個櫃檯結多個佇列,在計算機中是多核cpu處理多個go語言開啟的執行緒,並行是一個櫃檯結賬多個佇列,在計算機中就是單核cpu處理多個任務,搶奪時間片.

②從使用者態執行緒,核心態執行緒闡述go與java並行的優劣

1.使用者態執行緒、核心態執行緒差異

使用者態：只能受限制的存取記憶體,且不允許存取外圍裝置,佔用CPU資源可以被其他程式搶走。
核心態：CPU可以存取記憶體所有資料,包括外圍裝置,例如硬碟網路卡等,cpu可以將自己從一個程式切換到另一個程式

2.java與go並行差異：

java:

java沒有規定具體使用什麼執行緒,而是在不同形態的執行緒上進行切換,會耗費相當的資源
go是使用者態執行緒,資源耗費較少，一個執行緒的棧體預設為1M，並且需要執行在JVM上

go:

go語言並行通過,goroutine實現，屬於使用者態的執行緒,可以根據需要建立成千上萬個goroutine，每個goroutine佔用記憶體大小會根據需要動態生成,典型的大小為2kB可以按需求放大到1GB，在go語言中一次可以輕鬆建立十萬左右的goroutine,並且不依賴執行環境。

②高並行為什麼是Go語言強項？

1.歷史背景

Go語言產生較晚,在其產生之前就已經有了多核cpu，所以設計者的理念就是將這門新的語言使用到多核cpu上支援更大數量級的並行

2.自身原因

Go語言多並行底層實現使用的是協程,他佔有更少的資源具有更快的執行速度,佔用的資源還會根據任務量進行擴大或者縮小

③Go語言實現高並行底層GMP模型原理解析

1. G：
G是Goroutine的縮寫，在這裡就是Goroutine的控制結構，是對Goroutine的抽象。其中包括執行的函數指令及引數；G儲存的任務物件；執行緒上下文切換，現場保護和現場恢復需要的暫存器(SP、IP)等資訊。在 Go 語言中使用 runtime.g 結構表示。

2. M:

表示作業系統執行緒也可以稱為核心執行緒，由作業系統排程以及管理，排程器最多可以建立 10000 個執行緒，在 Go 語言中使用 runtime.m 結構表示。（使用者執行緒與核心執行緒的對映關係）

3. P:

排程各個goroutine，使他們之間協調執行邏輯處理器，但不代表真正的CPU的數量，真正決定並行程度的是P，初始化的時候一般會去讀取GOMAXPROCS對應的值，如果沒有顯示設定，則會讀取預設值，在Go1.5之後GOMAXPROCS被預設設定可用的核數，而之前則預設為1，在 Go 語言中使用 runtime.p 結構表示。

4.指定cpu執行緒個數

通過runtime.GOMAXPROCS()，可以指定P的個數,如果沒有指定則預設跑滿整個cpu

二、上程式碼學會Go語言並行

①.開啟一個簡單的執行緒

開啟執行緒使用go+函數，以下案例要認識到開啟多執行緒使用函數閉包可能會出現的問題

1.使用匿名函數開啟執行緒

//列印1-1000
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        go func() {
            fmt.Println(i)
        }()
    }
//這裡使用了函數閉包
/*
列印結果
    995
    995
    995
    996
    996
    999
    1000
    1000
*/

2.出問題的原理：

匿名函數進行操作時會將當前環境內的變數進行閉包,由於啟動執行緒需要一定時間在啟動執行緒的時候i進行了改變所以列印的時候會有許多值相同

②.動態的關閉執行緒

1.為什麼需要進行動態的關閉執行緒？

在Go語言中如果不進行動態的關閉執行緒,那麼有可能在子執行緒沒有執行結束主執行緒就結束了，那樣的話會有程式安全隱患,所以主執行緒不可以直接結束,應作為後盾，直到所有執行緒都結束了才可以結束。

2.使用waitGroup

waitGroup有三個方法常用：

waitGroup.Add（）：使用wait計數器記1次數//將建立的執行緒數傳進去
waitGroup.Done（）：wait計數器減1(放在被開啟執行緒的函數內)
waitGroup.Wait（）：阻塞等待wait計數器值為零（放在主執行緒內）

defer是在函數主體執行完的時候執行的程式碼（可理解為延時執行）

程式碼如下：

package main

import (
    "fmt"
    "math/rand"
    "sync"
    "time"
)
// 定義一個waitGroup結構體變數
var wg sync.WaitGroup

func f(i int) {
    // 等到函數執行完畢,會將waitGroup內的計數器減一
    defer wg.Done()
    rand.Seed(time.Now().UnixNano())
    time.Sleep(time.Duration(rand.Intn(3)) * time.Second)
    fmt.Println(i)
}
func main() {
    for i := 0; i < 100; i++ {
        // 開啟一個執行緒就使用waitGroup記一次數
        wg.Add(1)
        go f(i)
    }
    // 阻塞等待waitGroup計數器為0
    wg.Wait()
    fmt.Println("hello")
}

總結：
Go語言的高並行奠定了其未來在高階語言中的地位,越來越多的使用者加入網際網路需要一個支援高並行語言的支援,億萬級電商秒殺,億萬級遊戲使用者同時線上都離不開這樣的語言,所以Go語言一直被遊戲後端、web後端專案開發者青睞。

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