go語言中的協程詳解

2022-07-16 14:01:20

協程的特點

1.該任務的業務程式碼主動要求切換，即主動讓出執行許可權

2.發生了IO，導致執行阻塞（使用channel讓協程阻塞）

與執行緒本質的不同

C#、java中我們執行多個執行緒，是通過時間片切換來進行的，要知道進行切換，程式需要儲存上下文等資訊，是比較消耗效能的

GO語言中的協程，沒有上面這種切換，一定是通過協程主動放出許可權，不是被動的。

例如：

C# 中建立兩個執行緒

可以看到1和2是交替執行的

Go語言中用協程實現一下

runtime.GOMAXPROCS(1)

這個結果就是執行了1 在執行2

上述兩種方式來進行協程的切換

1.該任務的業務程式碼主動要求切換，即主動讓出執行許可權

2.通過channel進行阻塞

執行的結果一樣

後面又繼續執行1了

一、Goroutine的並行

package main

import (
　　"fmt"
　　"runtime"
　　"sync"
)

func main() {
　　runtime.GOMAXPROCS(1)
　　var wg sync.WaitGroup
　　wg.Add(3)
　　fmt.Println("Start Goroutines")

　　go func() {
　　　　defer wg.Done()
　　　　for i:=1;i<=10;i++{
　　　　　　fmt.Print("1")
　　　　}
　　}()

　　go func() {
　　　　defer wg.Done()
　　　　for i:=1;i<=10;i++ {
            fmt.Print("2")
　　　　}
　　}()

　　go func() {
　　　　defer wg.Done()
　　　　for i:=1;i<=10;i++ {
　　         fmt.Print("3")
　　　　}
　　}()

　　fmt.Println("等待執行結束")
　　wg.Wait()
}

執行結果

Start Goroutines

等待執行結束

333333333311111111112222222222

（1）runtime.GOMAXPROCS(1) 的作用是什麼？

runtime包的GOMAXPROCS 函數。這個函數允許程式更改排程器可以使用的邏輯處理器的數量。如果不想在程式碼裡做這個呼叫，也可以通過修改和這個函數名字一樣的環境變數的值來更改邏輯處理器的數量。

（2）為什麼先輸出3後輸出1和2？

排程器原始碼中有體現：有一個佇列，還有一個優先執行——即最後一個，在只有一個邏輯處理器的情況下，先執行優先的那個，再順序執行佇列中的。不過經過各種實驗發現這個執行順序其實是變的，貌似糾結這個順序也沒有什麼意思。

（3）WaitGroup 是什麼意思？

WaitGroup 是一個計數號誌，可以用來記錄並維護執行的goroutine。如果WaitGroup的值大於0，Wait 方法就會阻塞。為了減小WaitGroup 的值並最終釋放main 函數，使用defer 宣告在函數退出時

呼叫Done 方法。（defer 有點像C#當中的fianlly）

補充：排程演演算法中，如果多個goroutine中某個執行過長，此時會將其停止讓給其他goroutine繼續執行，待到其他都執行完成，在將其進行執行。如下圖：G4和G5就進行了切換

如下程式碼可以驗證上面的問題：

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "sync"
)

var wg sync.WaitGroup

func main() {
    runtime.GOMAXPROCS(1)

    wg.Add(2)

    fmt.Println("Create Goroutines")
    go printPrime("A")
    go printPrime("B")

    fmt.Println("Waiting To Finish")
    wg.Wait()

    fmt.Println("Terminating Program")
}


func printPrime(prefix string) {
    defer wg.Done()

next:
    for outer := 2; outer < 5000; outer++ {
        for inner := 2; inner < outer; inner++ {
            if outer%inner == 0 {
                continue next
            }
        }
        fmt.Printf("%s:%dn", prefix, outer)
    }
    fmt.Println("Completed", prefix)
}

printPrime 這個函數作用是查詢顯示 5000 以內的素數值，這是一個比較耗時的程式。

執行結果：數位比較多，不列印了，但是可以看到結果是A和B兩個協程之間的切換。

上面的程式碼都是設定GOMAXPROCS為1的情況，給每個可用的核心分配一個邏輯處理器

runtime.GOMAXPROCS(runtime.NumCPU())

這樣執行第一個程式的結果如下

Start Goroutines
等待執行結束133333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333332111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222

可以看到1、2、3沒有什麼規律。

二、Goroutine的競爭

什麼競爭狀態：如果兩個或者多個goroutine 在沒有互相同步的情況下，存取某個共用的資源，並試圖同時讀和寫這個資源，就處於相互競爭的狀態，這種情況被稱作競爭狀態（race candition）

競爭狀態是比較容易出現問題的地方，所以對一個共用資源的讀和寫操作必須是原子化的，換句話說，同一時刻只能有一個goroutine 對共用資源進行讀和寫操作。

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "sync"
)

var (
    counter int
    wg sync.WaitGroup
)

func main() {
    wg.Add(2)

    go incCounter(1)
    go incCounter(2)

    wg.Wait()
    fmt.Println("Final Counter:", counter)
}

func incCounter(id int) {
    defer wg.Done()
    for count := 0; count < 2; count++ {
        value := counter
        runtime.Gosched()
        value++
        counter = value
    }
}

執行結果：

Final Counter: 2

變數 counter 會進行4 次讀和寫操作，每個goroutine 執行兩次。但是，程式終止時，counter變數的值為2，這是因為兩個協程之間產生了競爭，對同一個counter進行讀寫，下面這個圖很好的詮釋了為什麼最後counter是2

補充：runtime.Gosched()用於讓出CPU時間片。

三、使用Goroutine的鎖

一種修正程式碼、消除競爭狀態的辦法是，使用Go 語言提供的鎖機制，來鎖住共用資源，

從而保證goroutine 的同步狀態。Go 語言提供了傳統的同步goroutine 的機制，就是對共用資源加鎖。

1、原子函數

使用atomic包來提供對數值型別的安全存取。

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "sync"
    "sync/atomic"
)

var (
    counter int64
    wg sync.WaitGroup
)

func main() {
    wg.Add(2)

    go incCounter(1)
    go incCounter(2)

    wg.Wait()

    fmt.Println("Final Counter:", counter)
}

func incCounter(id int) {
    defer wg.Done()
    for count := 0; count < 2; count++ {
        atomic.AddInt64(&counter, 1)
        runtime.Gosched()
    }
}

執行結果

Final Counter: 4

atmoic 包的AddInt64 函數。這個函數會同步整型值的加法，方法是強制同一時刻只能有一個goroutine 執行並完成這個加法操作。當goroutine 試圖去呼叫任何原子函數時，這些goroutine 都會自動根據所參照的變數做同步處理。

另外兩個有用的原子函數是LoadInt64 和StoreInt64。這兩個函數提供了一種安全地讀和寫一個整型值的方式。

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "sync/atomic"
    "time"
)

var (
    shutdown int64
    wg sync.WaitGroup
)

func main() {
    wg.Add(2)

    go doWork("A")
    go doWork("B")

    time.Sleep(1 * time.Second)

    fmt.Println("Shutdown Now")
    atomic.StoreInt64(&shutdown, 1)
    wg.Wait()
}

func doWork(name string) {
    defer wg.Done()

    for {
        fmt.Printf("Doing %s Workn", name)
        time.Sleep(250 * time.Millisecond)

        // Do we need to shutdown.
        if atomic.LoadInt64(&shutdown) == 1 {
            fmt.Printf("Shutting %s Downn", name)
            break
        }
    }
}

主協程main函數執行了1秒，然後將shutdown中的值設定為1，A和B的協程中通過讀取shutdown是否等於1來判斷是否結束協程。

執行結果：

Doing A Work
Doing B Work
Doing A Work
Doing B Work
Doing A Work
Doing B Work
Doing A Work
Doing B Work
Shutdown Now
Shutting A Down
Shutting B Down

2、互斥鎖

另一種同步存取共用資源的方式是使用互斥鎖（mutex）。互斥鎖這個名字來自互斥（mutualexclusion）的概念。互斥鎖用於在程式碼上建立一個臨界區，保證同一時間只有一個goroutine 可以執行這個臨界區程式碼

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "sync"
)

var (
    counter int
    wg sync.WaitGroup
    mutex sync.Mutex
)

func main() {
    wg.Add(3)

    go incCounter(1)
    go incCounter(2)
    go incCounter(3)

    wg.Wait()
    fmt.Printf("Final Counter: %dn", counter)
}

func incCounter(id int) {
    defer wg.Done()

    for count := 0; count < 2; count++ {
        mutex.Lock()
        {
            value := counter
            runtime.Gosched()
            value++
            counter = value
        }
        mutex.Unlock()
    }
}

執行結果：

Final Counter: 6

如上面的程式碼，最終的結果還是6.

mutex.lock he mutex.Unlock之間的程式碼，同一時刻只允許一個goroutine進入，所以保證資料的正確性。

補充對於 runtime.Gosched()的理解，有兩個問題 1. 當執行了這句話，貌似讓出了執行，那麼它後面的語句還能執行麼

到此這篇關於go語言協程的文章就介紹到這了。希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支援it145.com。

go語言中的協程詳解

協程的特點

與執行緒本質的不同

一、Goroutine的並行

二、Goroutine的競爭

三、使用Goroutine的鎖

1、原子函數

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